[发明专利]一种具有高效重金属吸附性能生物炭的制备方法及其应用

说明书

一种具有高效重金属吸附性能生物炭的制备方法及其应用，属于环境功能材料与生物质资源化利用领域。包括以下步骤：将市政污泥烘干研磨过筛，在管式炉中高温煅烧得污泥基生物炭BC。制备两份50mL乙醇和水的混合溶液(体积比为1:1)命名为A、B溶液，向A溶液中加入2g煅烧好的污泥生物炭BC，同时向B溶液中加入20.75g FeCl₃·6H2O和2g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，继续搅拌、静置、离心，冷冻干燥得到改性污泥生物炭nZVI‑BC。本发明工艺简单，制备原料具有来源稳定、成本低廉等优点，能高效快速去除重金属污染物，同时为污泥的资源化利用提供了新途径。

技术领域

本发明属于环境功能材料与生物质资源化利用领域，具体涉及一种改性污泥生物炭材料及其制备方法与应用。

背景技术

重金属已广泛用于各种工业中，包括采矿，皮革鞣制，电镀，钢铁冶金或颜料合成和染色等，这导致不可避免地将重金属随着污水管道最终释放到水体环境中。其具有高毒性和不可生物降解性的特点，如果不经适当处理就将对水生生物和人类健康构成严重威胁。研究表明铅作为剧毒的重金属之一，对人体健康构成威胁，主要影响人体中枢神经系统，引起肝炎、肾病综合症等疾病；Cr⁶⁺通常以更易移动、易溶和有毒的氧阴离子形式存在，而皮肤直接接触铬化合物则会造成皮肤伤害，也会影响呼吸道、眼、耳、肠胃道等；过量的铜会引起肝硬化、腹泻、呕吐、运动障碍和知觉神经障碍等。因此，推广更为高效、无二次污染的方法来去除水体中的重金属离子成为了人们所关注的。

传统的重金属污水处理方法存在一定的弊端，如物化法一般费用很高，容易造成二次污染；生物法只能处理浓度相对较低的且时间冗长。许多研究都报道了生物炭作为用于去除重金属的吸附剂。由于其结构稳定，比表面积和孔体积大，活性官能团丰富，生物炭在环境修复、土壤改良和废水处理中具有广阔的应用前景。尽管生物炭成本低廉且容易获取，但其吸附能力有限。此外，生物炭缺乏稳定性和可重复使用性，且其粒径小使得其难以从废水中回收。以上因素限制了生物炭在实际废水处理中的应用，且生物炭对有些重金属污染物的吸附能力有限，为了获得吸附特性更强的生物炭，需要对生物炭进行改性以增强它的与吸附能力相关的理化性质。因而，本发明采用在生物炭上负载高效绿色的环境材料即纳米零价铁以提升生物炭对重金属的吸附容量。普通的零价铁对于某些污染物确有一定的效果，但其降解速度慢且有可能会产生剧毒副产物，而纳米零价铁具有极高的比表面积，能实现对大多数重金属的还原反应，在去除水体中的有机污染物和重金属方面显示出优异的性能。研究已经表明，将nZVI掺入生物炭基质中能增强其吸附性能。因此，本发明以市政污泥为原料，复合纳米零价铁通过高温慢速热解法制备出改性生物炭(nZVI-BC)，将其应用于重金属铬(Cr)、铜(Cu)、铅(Pb)的吸附去除，为提高对水中重金属吸附去除的生物炭的制备提供了一种新方式，而且实现了的污泥资源化利用。

发明内容

针对上述存在问题和技术分析，本发明的一个目的是提供一种改性污泥生物炭材料的制备方法，该方法操作简单，原料易得，制备出的nZVI-BC具有较大的比表面积和还原性。本发明的另一目的是实现污泥的资源化利用。

为实现上述的第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种具有高效重金属吸附性能生物炭的制备方法，包括以下步骤：

(1)将污泥置于烘箱中在100℃下烘干至恒重，取出研磨并过100目筛；

(2)将步骤(1)的污泥放入管式炉中，通N₂并以10℃/min的速率升温至700℃停留两小时，之后冷却至室温，得污泥基生物炭BC；

(3)制备两份50mL乙醇和水的混合溶液命名为A、B溶液，乙醇和水的体积比为1:1；向A溶液中加入2g步骤(2)中制备的污泥基生物炭BC，同时向B溶液中加入20.75g FeCl₃·6H₂O和2g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，其中CTAB的作用是防止后续反应中生成的纳米粒子发生凝聚；