[发明专利]一种绿色纳米铁基生物质炭吸附材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种绿色纳米铁基生物质炭的制备方法，包括如下步骤：废茶树叶经过前处理后进行浸提，滤液调节pH作为绿色还原剂，茶渣烘干后作为茶渣生物质原料；茶渣生物质原料热解炭化，得茶渣炭；铁盐溶液加入茶渣炭、绿色还原剂后进行反应，得到绿色纳米铁基生物质炭悬浮液；磁分离悬浮液中的磁性固体产物，对磁性固体产物依次经NaOH溶液、超纯水、无水乙醇洗涤后，再次磁分离并真空冻干，得到可作为吸附材料的绿色纳米铁基生物质炭。其能用于重金属镉、铅、砷复合污染的水体和农田土壤的原位修复，通过磁场回收，循环利用。

技术领域

本发明属于环保技术领域，特别是涉及一种纳米铁基生物质炭吸附材料的绿色制备方法及其在水土重金属污染修复中的应用。

背景技术

近年来，随着社会经济高速发展，采矿冶炼、污水灌溉、农药施用等人类活动极大加剧了农田土壤中重金属污染，部分地区已达到中重度污染水平。据《2019年全国耕地质量等级情况公报》显示，我国耕地土壤中典型重金属镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)超标率位居前列，污染面积超13300hm²，在农业生态系统中共存时引起的综合致癌风险远高于单一污染。土壤重金属污染具有隐蔽性、持久性和不可逆转性等特点，可逐渐释放进入孔隙水，随着地表径流和淋溶作用污染地表水和地下水，同时在陆地和水体中通过食物链富集，对生物神经、内分泌、循环及消化系统造成极大损伤。因此，水土环境中重金属复合污染的修复已成为环境技术领域的研究热点，亟需开发低成本、高效、环境友好型的修复技术。

由于重金属不可生物降解，近期的相关研究主要集中在利用原位化学钝化降低污染环境中重金属的移动性和生物有效性，其中以低值农林废弃生物质通过资源化利用制造新型吸附材料是符合“以废治污”的绿色修复手段。生物质炭是农林生物质在缺氧/无氧条件下经低温热解(300～700℃)而制成的一种高比表面积的多孔炭基材料，由于其表面负电荷和碱性，对环境中阳离子重金属Cd(II)、Pb(II)具有较高的吸附容量。然而，类金属As因环境氧化还原状态的差异常以HAsO₄^2-、H₂AsO₄^-两种含氧阴离子形式存在，无法被以碱性沉淀和静电吸附作用为主的生物质炭吸附固定。

研究表明，铁基材料通常对As具有良好的亲和性能，若对生物质炭表面进行相关功能化改性，有望实现同时修复环境Cd、Pb、As复合物污染。例如，具有高反应活性和核-壳结构的纳米零价铁(nZVI)可通过其铁核和羟基氧化铁表面高效传递电子来还原Pb(II)、氧化As(III)，最终形成多相共沉淀和多元络合物降低这些污染物的移动性，是对生物质炭改性的理想材料。将纳米零价铁颗粒浸渍分散到生物质炭表面获得纳米铁基生物质炭复合材料(nZVI/BC)，既克服纳米零价铁的团聚缺陷，又增加了生物质炭的含铁官能团，在同时吸附多种重金属后可利用磁化特性将其从修复环境中磁分离。