[发明专利]一种改良生物炭基除磷吸附剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种改良生物炭基除磷吸附剂及制备方法。

背景技术

氮磷等营养元素大量进入自然水体，造成了富营养化，对人们的生产生活以及生态安全造成了严重影响。据统计，我国主要湖泊中，因氮磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56％之多。关于水体富营养化的研究表明，虽然氮和磷都是生物必须的重要营养物，但在很多情况下藻类等水生生物对磷更敏感。著名的湖泊学家Vollenweider认为，水中总磷浓度超过0.02mg/L即为富营养化。美国环保局（USEPA）对美国境内812个湖泊和水库进行调研后提出，水体富营养化的总磷浓度标准为高于0.02-0.25mg/L。我国学者的研究指出，总磷浓度超过0.02mg/L时，水体开始富营养化进程；当水中磷浓度达到0.5mg/L时，蓝藻开始大量生长。由此可见，磷素是导致水体富营养化的限制性因素，降低人工排水中的磷素含量意义重大。而水体中磷的去除方法有多种，包括化学沉淀法、生物除磷技术、吸附技术等。其中吸附法除磷是磷在吸附剂表面的附着吸附、离子交换或表面沉淀等过程，将水体中均相的磷转移到吸附介质上，实现磷从污水中分离的技术。吸附技术的核心就是选择合适的吸附剂，目前对磷素具有一定吸附性能的吸附材料已有较多报道，如明矾污泥、水葫芦废弃物、沸石、天然磁性黄铁矿、纳米零价铁、铁-铜复合氧化物等。这些吸附材料对磷的吸附能力普遍不高。

生物炭（Biochar）是在完全或部分缺氧条件下，以及相对较低的温度条件下（<700℃），经热解炭化产生的一种含碳量丰富、性质稳定的有机物质。生物炭表面具有大量的孔洞，空隙大小不一。这种孔洞结构有利于微生物的生长。生物炭容重小，水、气吸收能力强，且具有大量的表面负电荷以及高电荷密度的特性，能形成电磁场，构成了生物炭良好的吸附特性，能吸附水、土壤或沉积物中的无机离子及极性或非极性有机化合物，特别是利于吸附土壤和水体中重金属污染物质和有机污染物。鉴于上述一系列的优良特性，以及成本低、环境友好等优点，生物炭在近年来被广泛用于固碳减排、土壤修复改良、污染水体净化等方面的研究和实践。然而，生物炭表面往往呈现一定的碱性，这也决定了生物炭对阳离子型物质（如重金属等）具有良好的吸附性能；同时对阴离子型物质（如磷酸根、硝酸根等）普遍吸附性能较差。若希望将生物炭运用于吸附净化阴离子含量较多的废水（如含磷废水），则需要对其在一定条件下进行改良，以增加表面正电荷，实现对阴离子较强的吸附能力。

我国目前是世界上最大的稀土生产国，稀土储量大、种类全，扩展稀土元素的利用途径，提高稀土元素的利用效率，具有重要的意义。稀土元素根据原子序数和质量分为轻稀土和重稀土元素。轻稀土元素（如铈元素）在地壳中丰度高、成本低，低浓度条件下环境友好。同时，有文献报道了轻稀土元素氧化物对阴离子具有较好吸附性能。然而，单纯使用稀土元素作为吸附剂，成本高，效率低，难以推广应用。

为此，本发明使用轻稀土元素（铈元素）对生物炭进行改良，旨在利用生物炭多孔结构负载纳米级铈元素化合物颗粒，提高生物炭对磷酸根的吸附能力。本发明一方面大大提高了生物炭对磷酸根的吸附能力，提供了一种高效的、环境友好的生物炭吸附剂；另一方面也扩展了铈元素的应用范围，具有重要的现实意义。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种改良生物炭基除磷吸附剂及制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种改良生物炭基除磷吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）制备生物炭原始材料A0：

2）制备生物炭原始材料A0和铈化合物的混合物A1：将洗净烘干的生物炭原始材料A0粉末使用一定浓度的氯化铈溶液浸渍，调节A0与Ce元素的质量比为5%-15%；对上述混合体系进行搅拌，同时加入碱性溶液控制体系pH≥10，然后使用乙醇洗涤、离心并烘干，得A1；

3）制备负载铈的改良生物炭A2：将A1置于马弗炉中，通过密闭措施在缺氧条件下进行程序升温并热解，控制一定的热解温度和热解时间；热解结束并冷却后，使用蒸馏水对前述材料进行洗涤，离心，烘干并过筛，即得改良生物炭基除磷吸附剂A2。

所述步骤1）具体是指：将自然晾晒风干的作物秸秆破碎成长度0.1-0.5cm的碎块，用去离子水对其进行反复洗涤，至洗涤浸出液遇钼酸铵和抗坏血酸不显蓝色；将洗涤后的秸秆置于60-100℃烘箱中烘干6-12h，然后使用粉碎机粉碎，过60目筛，获得的物料即为生物炭原始材料A0。