[发明专利]一种铁基生物炭材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种铁基生物炭材料及其制备和应用。本发明的铁基生物炭材料以纳米α‑Fe₂O₃为中心物质，采用黑曲霉菌丝包裹纳米α‑Fe₂O₃，通过缺氧高温碳化，制成用于砷污染土壤修复的铁基生物炭材料。将合成的铁基生物炭材料按一定比例与土壤混合均匀，一段时间后砷污染土壤中水溶态砷和有效态砷的固定率分别达到59.6％和66.2％。本发明所述的铁基生物炭材料，制备过程简单，高效无毒害，可生物降解，无二次污染，不会破坏土壤的理化性质，是一种环境友好型固定剂。

技术领域

本发明属于土壤重金属修复技术领域，具体涉及一种铁基生物炭材料及其制备的方法，以及采用该铁基生物炭材料治理砷污染土壤的应用方法。

背景技术

砷在地壳中的含量占第20位，是一种广泛分布的有毒并致癌的化学元素。土壤中砷主要来源于农业和工业，如高砷煤的开采及使用等，使得煤中砷大量释放，对水体及土壤环境造成严重污染，进而影响人类健康。土壤是砷的重要贮存库和中转站，土壤砷污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和富集性等特点，土壤中砷的移动性很大程度上取决于其存在形态，并决定了其毒性程度和生物对其的吸收利用。土壤砷污染问题已引起国内外的普遍关注和重视，并成为环境保护热点研究领域。

砷污染土壤修复无论是原位修复还是异位修复，其目的一般有两种：(1)使砷从土壤中提取出来，减少土壤中砷污染物的总量。(2)砷仍然留在土壤中，通过氧化还原、固定、隔离、稀释等方法达到降低土壤中砷毒性的目的。目前，砷污染土壤修复主要有物理、化学、生物和联合修复等几大类方法，如深耕翻土法、化学淋洗法、生物修复技术等。物理方法尽管被认为是短期内行之有效的方法，但对于大面积砷污染土壤，需要消耗的人力物力巨大，成本太高；淋洗法易造成二次污染，使土壤某些营养元素流失；生物修复法处理费用低，但所需修复周期较长，受污染类型限制较大。因此，亟需开发一种固定效果好、持效性强、对土壤理化性质影响较小的修复剂。

据报道，铁和砷存在着强亲和力，能强吸附砷或与砷生成难溶沉淀。因此，铁盐(铁基化合物)最常被用于砷污染土壤的治理。利用丝状真菌高横纵比和具有生物粘性等的特性，将具有高比表面积、高反应活性和强吸附的纳米α-Fe₂O₃负载于菌丝体上，制成包埋有纳米α-Fe₂O₃的菌丝球。该固定剂解决了纳米α-Fe₂O₃在土壤中过于分散、容易流失的问题，但较难定量地运用于土壤修复中，距离工业应用还需作大量的改进。

近年来生物炭材料在重金属污染修复方面的应用逐步得到重视。生物炭是指将生物质原料于限氧或者厌氧的条件下，在较高温度(＜700℃)中热解生成的一类稳定的、纹理细腻的富含碳的多孔状固型材料。但是，生物炭材料可显著提高土壤中砷的流动性与有效性。有研究报道，生物炭能够降低土壤滤出液中Cd和Zn的浓度，但As的浓度却明显提高。另有研究报道，添加生物炭能改善水稻根际微环境和促进根表铁膜的形成，水稻根中Cd、Zn和Pb的浓度能分别下降98％、83％和72％，但是，砷的浓度则增加了327％。因此，如何改善生物炭的组成与性质，将包埋有纳米α-Fe₂O₃的菌丝球与生物炭的环境作用结合，制备出铁基生物炭复合材料，实现土壤砷的有效固定，是极富挑战性同时也是具有重大环境意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁基生物炭材料及其制备方法和在砷污染土壤治理中的应用，该铁基生物炭材料固定修复效果好，成本较低，制备和应用方法简单，不影响土壤理化性质，且对农作物无毒副作用，施用安全。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种铁基生物炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用培养基活化及扩大培养丝状真菌，备用；