[发明专利]一种负载杂原子的生物质炭材料及其应用

说明书

本申请提供了一种负载杂原子的生物质炭材料及其应用，涉及环保领域；该生物质炭材料是由秸秆、氮源、磷源、硫源、硼源混合后，经马弗炉程序加热碳化获得；该生物质炭材料来源广泛，环境友好，在常温、自然条件下即可高效活化过硫酸盐进而修复土壤有机污染，生物质炭材料及其负载的杂原子不仅不会对土壤生态环境造成不利影响，还能显著提高土壤有机质等养分含量，进而对土壤起到改良作用，易于推广应用。

技术领域

本申请涉及环保领域，特别是一种负载杂原子的生物质炭材料及其在活化过硫酸盐中的应用。

背景技术

随着城市化进程加快,大量涉及焦化、化工、石油等行业的工业污染物被排入土壤中，产生大量有机污染场地，如何快速有效的修复有机污染场地是当前必要解决的问题。化学氧化修复技术具有修复效率高、周期短、成本较低,对污染物类型和浓度不敏感等优点,是修复污染土壤的常用技术之一。

高级氧化法(AOPs)是基于自由基高氧化电势来氧化降解有机污染物的一系列反应过程的统称，具有适用范围广,氧化能力强、反应速率快的特点。传统的AOPs是以羟基自由基(·OH)为主要的活性物质来降解污染物质。HO·为还原电位较高的强氧化剂,但由于HO·氧化污染物时要求在酸性条件下进行,并且对污染物质的降解无选择性,因此其在应用时受本底物质(碳酸盐、碳酸氢盐、天然有机物等)影响大。

活化过硫酸盐氧化技术是近年来发展起来的新型高级氧化法，其以硫酸盐自由基(SO₄^-·)为主要活性物质降解有机污染物，虽然过硫酸盐本身氧化污染物质的能力有限，但在光、热、声、过渡金属离子等条件下,S₂O₈^2-可被活化分解为SO₄^-·，具有较高的氧化还原电位,可降解大部分污染物质。

活化过硫酸盐的方法包括热活化、紫外光活化、超声活化等。传统过硫酸盐活化技术耗能大、成本高，金属基催化材料活化过硫酸盐存在金属离子浸出、产生二次污染的问题。而为了降低二次污染的风险，国内外学者又开始致力于开发新型的非均相催化剂，例如有纳米铁酸铜、纳米Co₃O₄等活化材料，此类材料往往造价成本太高，难以大规模推广应用；同时，CO²⁺还具有一定的毒性，可能对操作者造成潜在的危害，进一步限制了该技术的应用。

此外，现有生物炭制备技术是升温至100℃保温2h，再分别升到300℃、400℃、500℃、600℃、700℃，温度梯度是10℃/min，并保温不同时间，之后恢复室温得到生物质炭；但该方法一步升温至热裂解温度100℃进而保温2h，温度较低，热裂解过程并不彻底，无法达到较好的热解效果，后续直接升温至设计温度，炭化产物的性能相对较差，不利于生物质炭的后续利用。

因此，急需开发一种环境友好、高效、廉价的活化剂，以提高过硫酸盐在场地有机污染场景修复中的应用范围。

发明内容

针对上述问题，本申请提供一种以杂原子掺杂生物质炭材料制备的活化剂，其通过活化过硫酸盐体系产生硫酸根自由基，进而对有机污染物进行快速的分解消除且环境友好，不造成二次污染。

本申请是通过如下技术方案实现的：

首先，本申请提供了一种负载杂原子的生物质炭材料，该材料是通过如下方法制备的：

1)将秸秆生物质粉碎料、氮源、磷源、硫源、硼源按照质量比70:10:10:5:5拌和后进行充分混匀，获得混合料；其中，氮源、磷源、硫源、硼源依次分别按其所含的氮元素质量、磷元素质量、硫元素质量、硼元素质量计算；

2)将步骤1)获得的混合料装填至不含氧气的反应罐中(优选不锈钢罐)；如利用惰性气体(优选N₂)进行鼓吹处理，以排除反应罐中的氧气；