[发明专利]一种铁基生物炭复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于环境工程材料领域和水处理技术领域，提供了一种铁基生物炭复合材料及其制备方法和应用。该复合材料的制备方法如下：取农林废弃物进行第一次热解炭化后得到生物炭，将所得生物炭与铁基废渣混合酸化后进行第二次热解炭化得到铁基生物炭复合材料。本发明在制备铁基生物炭复合材料的过程中充分回收利用了农林废弃物和工业含铁废弃物，且制得的铁基生物炭复合材料对成分复杂的低浓度混合重金属水样中重金属的去除率高于90％，且对含有1～10mg/L的五价砷水样中的五价砷去除率高于99.7％，具有非常出色的去除吸附效果。

技术领域

本发明涉及环境工程材料领域和水处理技术领域，尤其涉及一种铁基生物炭复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

农林废弃物是废弃物的重要成员，是一种重要的生物质资源，主要包括秸秆、稻壳、食用菌基质、边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮、刨花等。现有对农林废弃物的重新利用包括、农林废弃物气化发电、木质成型燃料或液化制备燃料乙醇，可见现有农林废弃物的再生研究仅停留在如何转化为能源资源上。而将农林废弃物在缺氧条件下热解炭化能够生成生物炭，将其用于处理水体污染有着巨大的潜力，能够为农林废弃物资源化提供新的方式。

但是单纯使用生物炭处理污染物的效果并不是非常理想，负载金属离子的生物炭对于污染物却具有较好的效果，如含铁基，铝基，锰基，钙基等生物炭。其中以铁基生物炭处理效果更加优异，然而烧制铁负载生物炭的铁原材料有铁粉，FeCl₃，Fe₃O₄等，这些原材料的成本较高，不适合作为实际大规模工业生产，因此需要找寻可替代的低廉含铁材料。

同时，随着中国钢铁产量的增加，产生的固体废弃物也越来越多，在高炉炼铁中，每生产一吨生铁就会产生300～500公斤的高炉渣，高炉渣的主要成分CaO、SiO₂、MgO、Al₂O₃和Fe₂O₃。且在锻造钢材和热加工热轧时，由于钢铁和空气中氧的反应，常会在钢材的表面形成大量氧化铁皮，造成堆积，浪费资源，其中铁含量高达80％～90％，如何有效利用上述铁基废渣是本领域一直以来面临的问题。

随着工业产业的迅速发展，重金属在生态环境中持续地积累，生态环境中的植物和微生物的多样性会随之减少。进入食物链的重金属在进入人体后，会与人体内的各种蛋白质和酶类反应，使其失去活性。或在人体内富集，超过人体耐受限度后便会引发人体急性或亚急性中毒。因此，加深对重金属污染现状的认知，探索处理重金属污染的科学的安全的方法是国内外学者近年来研究的热点。

混凝-絮凝、氧化/还原反应、离子交换、膜法和吸附是最常用的除去水体中重金属的方法，混凝絮凝会产生含砷的污泥，增加处理工序；离子交换去除水体中的重金属可能会受到其他干扰离子的影响；膜工艺成本高，对于实际案例的吸引力不高。

因此，提供一种以农林废弃物和铁基废渣为原料制得的铁基生物炭复合材料并将其用于去除水体中重金属元素对于本领域研究人员而言具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种铁基生物炭复合材料的制备方法，该方法以农林废弃物和铁基废渣为原料，实现了农业废物和工业废弃物的双再生处理。

为了达到上述目的，本发明首先提供了一种铁基生物炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：

取农林废弃物进行第一次热解炭化后得到生物炭，将所得生物炭与铁基废渣混合酸化后进行第二次热解炭化得到铁基生物炭复合材料。

进一步地，第一次热解炭化的步骤如下：

将自然风干研磨过筛后的农林废弃物置于管式炉中，以2～10℃/min的升温速率升温至500～900℃后保温1～3h完成第一次热解炭化，热解炭化期间炉内处于惰性气氛。

进一步地，所述酸化的步骤如下：