[发明专利]一种湿地植物及猪粪复合生物炭的制备方法其应用

说明书

本发明提供一种湿地植物及猪粪复合生物炭的制备方法，并将其应用于水体中重金属的吸附。选取鄱阳湖典型湿地植物并在其生长旺季采收湿地植物的地上部分同时从养猪场取得猪粪，采集的湿地植物生物质经过水洗、烘干、粉碎，猪粪经烘干后粉碎，湿地植物生物质与猪粪生物质按照1:1搭配制成混合生物质；采用壳聚糖与碱渣按照烘干后质量比1:1粉碎混合制成粉末；混合生物质与壳聚糖碱渣粉末按照10:1混合制成复合生物质；将复合生物质加入到铁溶液中经无氧水热碳化制成复合生物炭，并将其用于水体中重金属的吸附。本发明充分利用鄱阳湖流域的几种典型废弃物，达到“以废治污”的目标，且原材料来源广泛，成本低廉，简单易行，所制备的生物炭吸附剂无毒无害，对环境友好。

技术领域

本发明属于环保领域，具体为环境功能材料和环境修复领域，具体是一种湿地植物及猪粪复合生物炭的制备方法其应用，利用废弃生物质资源实现湿地氮、磷及水体重金属移除。

背景技术

鄱阳湖面临水体富营养化的风险，鄱阳湖湿地土壤中的氮、磷元素在淹水期极易进入到鄱阳湖水体中，并随着水流移动到其他位置，对鄱阳湖的水体富营养化具有潜在风险。

鄱阳湖流域地处红壤区，红壤自身具有发育程度高和淋溶作用强烈的特点，在加上对红壤资源的不合理开发利用，红壤酸化现象比较普遍，同时受到鄱阳湖上游五河流域的矿山开采、冶炼、工业“三废”的影响，农田土壤重金属污染比较严重，尤其是农田重金属铜、镉污染。土壤重金属污染严重威胁到国家“米袋子”和“菜篮子”等民生工程，迫切需要治理。寻找一种高效稳定、环境友好的修复技术是治理土壤重金属污染、解决重金属污染问题的重要任务。

生物炭是生物质材料（动物、植物、农林废弃物、畜禽粪便、活性污泥）在缺氧或无氧环境中，经热解炭化产生的一类芳香化难熔性固态物质，其内部具有疏松多孔的结构，比表面积较大，具有较强的吸附能力、氧化能力和阳离子交换能力及丰富的化学基团（羧基、羰基、内脂基，羟基）等，这都使其具有较强的重金属吸附钝化能力，已经应用于土壤中铜、铜、铅、镉、汞、砷等重金属污染物的钝化修复中，在土壤重金属修复中具有很大的应用潜力。

鄱阳湖湿地植物资源丰富，虉草、南荻、芦苇和灰化苔草是鄱阳湖湿地的优势物种，生物量巨大，且可多次收割，其快速生长过程中能够吸取湿地土壤中的氮、磷等营养元素；湿地植物虉草、南荻、芦苇和灰化苔草含有的大量羟基、羧基、碳酰基等活性基团，由这四种植物制成的生物炭具有较高的炭元素，具有丰富的表面官能团和微孔隙，具有更高的CEC值，易发挥对重金属的吸附固定作用。

江西省是畜禽养殖大省，每年产生大量的畜禽粪便，如果不及时处理，不仅会造成资源的浪费，更会对生态环境造成破坏。猪粪生物质中Na、K、Ca、Mg、P、S和Si等矿物盐含量丰富，制成的生物炭碱性更强，能够弥补植物生物炭碱性弱的缺点，提高生物炭对重金属的沉淀作用。

碱渣属于工业废渣，我国每年有大量碱渣排放，碱渣的大量排放得不到有效处理会对环境产生各种污染；碱渣的主要化学组成成分主要为钙盐，同时还含有氢氧化镁、二氧化硅、三氧化二铝和氧化钙等，结构比较松散，颗粒以粉粒为主，表面粗糙，孔隙多且大，呈碱性，吸水性强，对重金属离子具有较强的吸附作用。充分利用其空隙多、结构松散、富含钙离子及碱性强的特点，与生物质炭联合制取复合生物炭可以有效提高其对重金属的沉淀、离子交换及表面吸附作用。

壳聚糖是一种从甲壳类动物的外壳中提取的高分子聚合物，分子中含有大量的氨基和羟基和其他基团，可利用氢键或者盐键形成网状笼型结构，壳聚糖对重金属离子的吸附作用主要以吸附和鳌合为主，通过-NH₂、-OH等活性基团与重金属离子形成稳定的五环鳌合物，从而使直链的壳聚糖形成交联的高聚物，有效吸附重金属离子。壳聚糖主要负载在生物炭的表而，基本不会影响生物炭的孔隙结构。将二者的优势结合，生物炭与壳聚糖复合可以有效提高对重金属的吸附能力。