[发明专利]利用水生植物废弃物与赤铁矿制备改性生物炭的方法

说明书

技术领域

本发明属生物炭吸附材料领域，涉及一种利用水生植物废弃物与赤铁矿制备生物 炭方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，大量废水和农田径流排入自然水体，导致水体营养盐 含量不断升高，富营养化问题日趋严重。其中，水体营养盐中硝酸根和磷酸根等阴离子是水 体营养物质的主要存在形态，因此针对水体硝酸根以及磷酸根的去除方法众多。

目前公认较有效的方法之一是水生植物修复法，但是水生植物在秋冬季会衰亡腐 解，对水体造成二次污染。如何处理衰亡期的水生植物枯落物，提高资源利用率，是现今水 生植物修复及枯落物处置的热点及难点。国内外已有研究针对植物废弃物制备生物炭进行 资源化利用的研究。生物炭是生物残体在缺氧情况下经高温热解产生的一类富含碳素的固 态混合物，是一种新型、廉价的吸附材料。但是已有许研究表明由于生物炭为带负电荷的基 团，其阳离子交换量要高于阴离子交换量，生物炭主要吸附阳离子而不能吸附阴离子，生物 炭本身对硝酸根以及磷酸根没有吸附能力。

提高生物炭对硝酸根以及磷酸根的吸附能力有效的手段主要是对生物炭进行负 载铁。例如，一种常见的方法是利用热解FeCl₃对生物炭进行负载铁处理，能极大的提高生 物炭对水体硝酸盐以及磷酸盐的吸附能力。然而，现有负载铁的生物炭复合材料制备方法 相对复杂以及昂贵。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种对硝酸盐以及磷酸盐吸附能力 强，稳定性高，可重复使用，易于工业化生产的利用水生植物废弃物与赤铁矿制备改性生物 炭的方法。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

利用水生植物废弃物与赤铁矿制备改性生物炭的方法，可按如下步骤实施。

（1）将水生植物自然风干，使其内部含水率低于10%，然后粉碎过100目筛子，获得 水生植物粉末。

（2）将赤铁矿粉碎后，过100目筛，获得赤铁矿粉末。

（3）称取一定量赤铁矿粉末放入去离子水中，经超声波处理得到悬浊液。

（4）称取步骤（1）所述水生植物粉末，浸泡于步骤（3）所述悬浊液中，搅拌，在80℃ 条件下烘干，获得水生植物与赤铁矿充分混合物。

（5）称取步骤（4）所述水生植物与赤铁矿充分混合物，将混合物置于箱式气氛炉 中，向炉内通入氮气；程序升温至目标温度，保持终温热解；热解过程结束后，即得目的产物 改性生物炭。

作为一种优选方案，本发明所述水生植物为芦苇、香蒲或茭草中的一种。

进一步地，本发明所述步骤（3）中赤铁矿与去离子水的质量体积比为1:25；其中赤 铁矿的质量单位为克，去离子水体积的单位为毫升。

进一步地，本发明所述步骤（3）中通过超声波仪进行超声波处理，超声时间为1h。

进一步地，本发明所述步骤（4）中搅拌时间为1h，搅拌速率为200rpm。

进一步地，本发明所述步骤（5）中炉内氮气流速为400mL/min；程序升温速率控制 10°C/min；目标温度为500°C；500°C下终温热解持续20min。

进一步地，为了防止改性生物炭改变水体pH值，本发明将步骤（5）所得改性生物炭 通过去离子水进行反复冲洗至中性；并在80℃下烘干获得pH值为中性的改性生物炭。

赤铁矿是广泛存在的天然氧化铁矿物之一，有研究表明，其有良好的吸附磷酸盐 的能力。并且，热处理会激活赤铁矿的磁性，提高其在水溶液的吸附能力。

因此，本发明由于采用的水生植物废弃物以及赤铁矿均是丰富以及廉价的低成本 天然材料，因此通过此方法制备的负载铁改性生物炭成本低廉。并且可在原位收集水生植 物并制备生物炭，移入水体，减少了运输成本。

与现有技术相比，本发明具有如下特点。

（1）与现有生物炭或类生物炭吸附剂技术相比，本发明提供的改性生物炭对硝酸 盐以及磷酸盐具备了吸附能力，并且吸附性能非常高。

（2）本发明提供的改性生物炭，利用的水生植物废弃物以及赤铁矿均是非常便宜 以及容易获得原材料。

（3）本发明通过化学改性方法进行的改性，具有相当的稳定性，吸附后解吸再生并 可以重复使用。

（4）本发明提供的制备方法简易，易于工业化生产。