[发明专利]一种碱改性生物炭的制备及其去除污水中新兴污染物的应用

说明书

本发明公开了一种碱改性生物炭及其制备方法，以及利用该改性生物炭去除污水中新兴污染物的方法。本发明利用热解炭化方法制备初始生物炭，并将初始生物炭用碱性溶液浸渍，经振荡充分接触后，用超纯水洗涤至pH呈中性，抽滤烘干制成碱改性生物炭。本发明制备的碱改性生物炭比初始生物炭具有更大的比表面积和更强的疏水性，对新兴污染物双酚A和抗生素(四环素TC、氧氟沙星OFL等)具有更高的吸附能力和更好的去除效果。同时吸附在碱改性生物炭上的污染物不易解吸，避免了二次污染。综上，本发明可有效地去除污水中的新兴污染物，同时吸附后的碱改性生物炭二次污染少，具有易操作、高效、绿色、节约成本等特点。

技术领域

本发明属于环境保护与废弃物资源综合利用领域，涉及一种碱改性生物炭、制备方法及其去除污水中新兴污染物的应用。

背景技术

在最近的几十年中，在水生环境中大量新发现了人为或自然来源的化合污染物，这些污染物通常以痕量浓度(从ppt级到ppb级)存在，本质上大多是有机物，被称为“新兴污染物”(EC)。EC的主要类别包括药品和个人护理产品、表面活性剂、增塑剂、农药、阻燃剂和纳米材料等。抗生素和破坏内分泌系统的化学物质双酚A由于大量使用常出现在水环境中。

近年来在水体中检测到抗生素的报道，表明以抗生素为代表的EC越来越受到重视。高浓度抗生素废水的排放，以及广泛应用于人类、畜牧业和水产养殖业的抗生素在未被吸收后的排放，导致环境正面临着更大的含抗生素水污染。抗生素可导致致病菌生物毒性和耐药基因等环境风险，严重危害生态环境和人类社会的健康发展。TC是一种广谱抗生素，用于治疗由革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌引起的疾病。由于使用后不能完全吸附或转化，因此废水中的含量超过50％。OFL属于氟喹诺酮类药物，具有广泛的抑菌活性，被广泛应用于人和兽医学。OFL在人或动物体内的代谢率为15-20％，因此在废水中过量。由于TC和OFL在水中的存在会危害人类健康和水生生态系统，因此从废水中去除这些抗生素已成为一个重要问题。双酚A(4,4′-(propane-2,2-diyl)diphenol)(BPA)是一种非常危险的内分泌干扰物，表现出类似激素的特性，对活的有机体产生负面影响，其中包括诱变和神经毒性物质。BPA是生产量最高的化学品之一，被广泛用于生产聚碳酸酯和聚砜聚合物、环氧树脂和聚丙烯酸酯，如今它们几乎在工业的各个领域和人类的日常生活中使用。BPA还被用于阻燃剂四溴双酚A的生产、热敏纸的显影剂以及聚氯乙烯的生产。据估计，全球BPA年产量约为300万吨，由于聚合物和环氧树脂生产的强劲需求和消费，该数量还在不断增长。BPA是水溶性的(约300mg/L)，所以含有BPA的废弃物很容易将BPA释放到水环境中，使它广泛存在于地下水、垃圾填埋场渗滤液和经处理的废水中，会给水生态系统和人类健康带来潜在风险。同时由于其长期的持久性、高毒性和生物蓄积性，BPA被认为是一种难处理的环境污染物。综上，非常需要开发一种高效、经济的从污水中有效去除抗生素和BPA的技术。

污水中EC的去除主要包括生物法、高级氧化法和吸附法。大多数污水处理厂的常规生物工艺无法完全去除EC，导致处理后的EC残留量为10-60％。高级氧化工艺(AOP)能以超快和有效的方式去除EC。然而AOP工艺运行成本高，操作要求严格，且其污染物降解的中间产物也会引起二次污染。与这两种方法相比，吸附技术运行成本低，处理量大，对自然环境更环保。

与活性炭、碳纳米管等昂贵的吸附材料相比，生物炭是一种在限氧条件下由原料生物质生产的多孔碳基材料，从农业废弃物中提取的低成本生物炭具有相当的吸附性能，这是因为生物炭具有足够的位点与EC(如抗生素和BPA)进行疏水相互作用。另外作为农业大国，我国每年的秸秆产量可达到约9亿吨，其中含有的木质纤维素、碳水化合物等组分，是一种理想材料，可用来制备生物炭，不仅减少了处理秸秆所带来的环境污染，而且实现了其资源化利用。然而，初始生物炭的吸附效果较小以及回收比较困难，还需要进一步改性，以获得更大的疏水性和比表面积，以应对污水中其他疏水有机物的干扰，并且改性后的生物炭对特定污染物有更好的吸附能力。

发明内容