[发明专利]一种水体污染物吸附材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种水体污染物吸附材料及其制备方法。本发明公开了一种以黑炭或生物炭为支撑材料、以次加载季铵盐和镧的技术方法用以解决水环境中阴离子污染物的去除难题。其特征在于：(1)利用生物质废弃物或其衍生物为原料，通过碳化过程制备黑炭或生物炭；(2)利用先酸后碱法在生物炭上加载壳聚糖；(3)对壳聚糖上的胺基进行保护；(4)对胺基保护后的壳聚糖进行交联；(5)对交联后的壳聚糖进行胺基释放；(6)对胺基释放后的生物炭壳聚糖复合体加载季铵盐；(7)对加载了季铵盐的生物炭壳聚糖复合体加载镧。上述技术方案所得的生物炭改性产品具有去除污染物能力强、速度快、下限浓度低、适用酸碱范围宽、不受温度影响等特点，为水环境中阴离子形态污染物的去除提供了一条新途径。

技术领域

本发明涉及一种环境污染物去除剂的生产和合成方法，特别涉及一种黑炭或生物炭改性方法。

背景技术

水体富营养化和重金属污染是当今人类面临的重大环境问题。无论污染物初始排放的化学形态，通过在环境中的迁移和转化，大多都以离子的形式存在于环境之中，对环境的影响也通过离子形态产生。如营养元素N和P被释放到水环境中之后，最终将分别转化为硝酸根(NO₃^-)和磷酸根(PO₄^3-)，并以此形态被藻类利用造成水体富营养化。再如重金属元素Cr被释放到水环境中后最终被转化为铬酸根(CrO₄^2-)并由此形态产生重金属的环境危害。这种离子形式污染物的共同特点是易溶于水，不易从水环境中去除。对可转化成气态形式的污染物如NO₃-，常用的去除方法是用还原法将其转化为气态物质N₂排放到大气中，从而将其从水环境中去除。但这种还原过程耗能高，同时会产生伴生环境问题。如NO₃-转化为N₂过程中会释放大量温室气体N₂O,后者的增温潜势是CO₂的300倍左右。对不能转化为气态形式的离子污染物，如PO₄^3-和CrO₄^2-，目前还没有可以利用的去除方法。对此，近年来很多研究都在尝试水环境中阴离子形态污染物的去除。去除途径包括生物技术，化学技术，离子交换和吸附技术等。其中离子交换和吸附技术是一种很有潜力的技术途径，其优点是操作简单、效率高、成本低、有广泛可利用的吸附剂。

常用的吸附材料有氧化铝、氧化铁、氢氧化钙和壳聚糖等。不同材料各有特色，相比之下壳聚糖具有较好的阴离子吸附潜力，但存在三个问题：1.酸性条件会致其溶解，吸附能力消失；2.碱性条件下吸附能力差；3.机械强度较低，不易与水分离。对壳聚糖上的胺基进行保护和交联可以较好地解决第一个问题。常用保护剂有甲醛(如Li等人2015年的研究)和苯甲醛(如Dong等人2017年的研究)。在保护的基础上再进行交联，以降低壳聚糖在酸性条件下的溶解。常用交联剂有乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)(如Li等人2006年的研究)、环氧氯丙烷(如Schmuhl等人2001年的研究)和戊二醛(如Wan等人2002年的研究)等。在胺基保护和交联的基础上加载季铵基官能团可以一定程度上解决第二个问题。季铵官能团具有很强的碱性，在一定的碱性条件下能有效地吸附阴离子。利用季铵官能团增强阴离子吸附的实例较多，包括Sowmya等人2014年的研究，Wei等人2014年的研究以及Li等人2016年的研究等；将壳聚糖加载到一些硬质的宿主材料上可以有效地解决第三个问题。所用宿主材料包括Fe3O4/ZrO2纳米颗粒(如Jiang等人2013年的研究)、聚塑有机材料(如Rajeswari等人2015年的研究)，秸秆(如Qiu等人2017年的研究)和生物炭(如Cui等人2016年的研究)等。

镧在废水处理技术中具有适用pH范围宽、对低浓度阴离子污染物亲和力高、对氧化还原条件不敏感、环境友好等特点。然而单纯利用镧作为吸附剂效果并不理想。如果能与其他材料复合，有望解决这一问题。如将镧直接加载到生物炭上(如Wang等人2016年的研究)、或将季铵基官能团与镧依次加载到秸秆上(如Qiu等人2017年的研究)等。

发明内容