[发明专利]一种硫掺杂纳米四氧化三铁/生物炭复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硫掺杂纳米四氧化三铁/生物炭复合材料及其制备方法和其在重金属砷和/或铅污染土壤修复中的应用。其中，所述复合材料是在生物炭载体上负载有硫掺杂的纳米四氧化三铁；制备所述生物炭载体所使用的生物质原材料包括农业废弃物。本发明的硫掺杂纳米四氧化三铁/生物炭复合材料制备过程同时将固体负载和硫化改性结合起来，使得材料具有高效吸附性能、还原性能和回收潜力，可达到同时高效去除土壤中的砷和铅污染目的。本发明既弥补了单纯使用生物炭和纳米铁材料的局限性，又可解决实际土壤修复过程中以阴离子形态存在的砷污染和以阳离子形态存在的铅污染难以同时高效去除的难题，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及环境保护中重金属污染土壤修改材料技术领域，具体为一种硫掺杂纳米四氧化三铁/生物炭复合材料及其制备方法和其在重金属砷和/或铅污染土壤修复中的应用。

背景技术

根据2014年中华人民共和国环境保护部和国土资源部发布的全国土壤污染状况调查公报的数据显示，全国土壤环境状况并不乐观，土壤污染严重，全国土壤总超标率为16.1％。根据中国科学院生态环境研究中心的数据显示，目前我国接近2000万公顷的土壤遭受Pb、As、Hg等重金属污染，约占总耕地面积的20％。在全部的超标点位中，Pb、As无机污染物点位的超标率分别为1.5％和2.7％，铅砷污染严重。

砷是一种剧毒的类金属元素，随着砷在农业、电子、化工、冶金业等行业被广泛的应用，人类活动如对矿石的开采冶炼、化工生产以及杀虫剂的使用等都会造成砷在环境中的积累，通过沉降作用，最后进入到土壤中，造成土壤砷污染。砷可以通过呼吸作用或消化作用进入到人体中，引起砷中毒。进入人体内的砷，广泛的分布于全身各组织器官中，会造成人体神经系统、皮肤及消化系统等多个内脏组织及器官的癌变、畸形等，严重时甚至会造成死亡。

铅是自然界中广泛存在的元素，在地壳中的范围值为2-300mg/kg。近年来由于人类采矿等活动，使得大量的铅从地壳中进入到地表。工业化的发展，使得大量的铅被排入环境中，最终造成土壤铅污染。另外，不合理的回收行为也会造成铅污染，如铅蓄电池的非正规回收，导致大量的铅蓄电池被随意拆解处置，造成铅污染。铅所产生的毒害和很多因素有关系，一旦发生铅中毒，人体的神经系统、心血管方面就会受到伤害，尤其是运动和感觉神经，人体会感到明显的变化；进入人体的铅会随着血液进入脑组织，还会造成人体大脑中枢神经系统的损伤，对人体的代谢活动产生影响。除此之外，铅中毒还会对人体的各种系统带来影响。

砷、铅一起被列入五毒元素之列。砷铅及其化合物不易被化学或生物降解，但是能够被吸附到土壤胶体，并且被微生物富集，通过食物链使其生物毒性放大，累积进入到人体中，对人体器官和系统造成危害，严重威胁人类的健康。由于砷和铅在土壤环境中分别以阴、阳离子两种不同形式存在，常规修复材料往往不能实现将两种污染物同时有效去除，这也是在实际场地修复过程中遇到的现实问题。研发一种可同时去除砷和铅污染的高效修复材料是一个亟待解决的问题。用一种材料同时去除土壤中砷和铅，可以减少修复药剂的用量、降低土壤修复成本，还能进一步降低二次污染。

生物炭逐渐被认为是一种新型、绿色、经济、高效的环境功能材料，已引起研究者的广泛兴趣。生物炭不仅可以控制土壤中重金属的行为和生物利用度，还可以通过调节土壤的理化性质、添加氮、磷、钾等养分以及提高持水能力来改善土壤健康。此外，制备生物炭的原料种类繁多，成本相对低廉，适合大规模生产。但生物炭去除重金属的能力受原料和制备条件的影响较大，对严重污染土壤的修复能力有限，对污染物的吸附选择性不足，而且粉末状生物炭很难从反应体系中分离出来。由于生物炭表面的净负电荷占优势，生物炭对阴离子As的吸附能力有限。为了克服上述这些不利因素，通常需要一个额外的活化或改性过程，使其对污染物具有较高的去除效率。