[发明专利]具备多重重金属Cd吸附位点的生物炭的制备方法

说明书

本发明涉及一种具备多重重金属Cd吸附位点的生物炭的制备方法。首先选定制备生物炭的原材料，在一定裂解温度下制备得到生物炭；然后采用表面化学修饰的方法，将原子转移自由基聚合（ATRP）引发位点固定到生物炭上，得到表面富载ATRP引发位点的生物炭；最后选择带有Cd吸附位点的功能单体，通过ATRP可控接枝，得到表面具备多重重金属Cd吸附位点的生物炭。相对于现有的生物炭接枝方法，该方法制备的生物炭表面重金属吸附位点种类多、数量多，并且可以对吸附位点的种类和数量进行自由调控。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种多重吸附重金属Cd的生物炭的制备方法。

背景技术

镉（Cd）是环境中最常见的一种重金属，对环境危害极大。镉不易随水淋滤，无法被土壤微生物分解，残留在地表土壤中，或渗透至地下水，或随飘尘、径流向无污染区扩散，很难被彻底消除。因此，解决土壤中重金属镉污染问题已成为保障农产品质量安全的重要科学任务之一。

近年来，生物炭作为一种新型吸附剂，具备孔隙度好、比表面积大、吸附能力强等特点，被广泛应用于土壤污染修复的研究领域。它可通过有机材料，如植物根茎、木屑、麦秸秆、动物粪便等，在少量或无氧气的情况下的热解产生。生物炭含有大量芳环结构碳，具备较大的孔隙度，能够吸附固载环境中的重金属，且能改良土壤结构，促进作物生长。另外，通过提高土壤的pH和借助阳离子的吸附作用，生物炭能够降低重金属的生物有效性和土壤重金属迁移率。生物炭的上述属性使其在环境污染治理方面应用潜力巨大。但是，生物炭表面官能团种类有限，导致其吸附性能提升遇到瓶颈。故研究设计和制备高效镉吸附能力的生物炭具有重要的现实意义，一直是生物炭研究的热点。

生物炭由于表面官能团单一、选择吸附性差等缺点降低了对Cd2+的吸附效率和能力。为了开发生物炭的吸附潜力，许多的学者利用KOH、O3、H2SO4/HNO3等氧化剂对生物炭表面进行改性，提高生物炭的比表面积，增加生物炭表面的官能团，来提高生物炭对污染物的去除能力。有研究表明，铁锰改性玉米秸秆生物炭对溶液中Cd2+的最大吸附量高达101 mg/g，是未改性生物炭的3.6倍。另外有研究采用3:1的H2SO4/HNO3对棉籽壳炭表面进行羧基改性，改性之后增加了棉籽壳炭的含氧官能团含量，通过对比试验发现羧基改性后的生物炭会增强重金属的固化作用。虽然氧化改性能够增加其含氧官能团，但若控制不好浓度及时间，容易破坏生物质炭的结构。如何提高生物炭比表面积或增加表面官能团，在提高Cd2+吸附效率的同时，保持生物炭本征结构的完整性是下一步的研究方向。

针对上述问题，一些研究者通过表面接枝的方法，将具有Cd2+吸附作用的功能团引入到生物炭表面，形成Cd2+吸附功能层。表面接枝法的优点是对生物炭本征结构的完整性影响不大，生物炭自身对Cd2+的吸附能力没有降低；同时表面接枝后生物炭表面的比表面和官能团增加，可进一步增强Cd2+的吸附能力。目前传统的表面接枝主要有“grafting-to”和“grafting-from”两种方法：前者是将具有反应活性的大分子与生物炭表面的羟基、酰氯等基团反应，使大分子直接化学键合到表面；后者利用氧化还原等方法引发自由基聚合，使功能单体原位聚合接枝到表面。接枝后，生物炭的表面积和化学反应活性也得到有效提升。但是，“grafting-to”反应过程控制苛刻，重现性较差，接枝大分子刷的密度和聚合物链的长度也难以控制。采用“grafting- from”接枝法也容易出现接枝密度较低且分布不均一的问题。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。因此，本发明的目的在于提出一种具备多重吸附重金属Cd的生物炭的制备方法。主要是利用原子转移自由基聚合（ATRP）技术将具有Cd吸附能力的功能分子接枝到生物炭表面。在表面修饰过程中将ATRP活性位点引入到生物炭表面，在生物炭表面原位引发聚合接枝具有Cd络合作用的功能大分子刷，利用ATRP聚合解决现有生物炭表面接枝方法过程不可控的问题。通过将具有Cd2+络合作用的多重作用位点接枝到生物炭表面，赋予生物炭更强的Cd吸附能力。

一种具备多重重金属Cd吸附位点的生物炭的制备方法为：