[发明专利]一种硫基插层水滑石修饰的生物炭基吸附材料、其制备和应用

说明书

本发明属于废水处理及土壤修复技术领域，更具体地，涉及一种硫基插层水滑石修饰的生物炭基吸附材料、其制备和应用。通过对生物质原材料进行碱液浸渍，然后热解碳化得到活化的生物炭材料，然后以该生物炭材料为基底，在水热条件下进行水滑石的负载，最后将水滑石的层间阴离子置换为硫基阴离子。该制备方法得到的吸附剂不仅具有单独的生物炭和水滑石对重金属的吸附能力，而且通过对生物质材料进行活化可以得到疏松多孔的生物炭材料，再通过水热反应可进一步对生物炭材料进行扩孔，提高对水滑石的负载量以及负载稳定性；最后通过硫基阴离子层间置换，显著提高了重金属阴离子的吸附能力。

技术领域

本发明属于废水处理及土壤修复技术领域，更具体地，涉及一种硫基插层水滑石修饰的生物炭基吸附材料、其制备和应用。

背景技术

随着经济飞速发展，各行各业对基础工业制品需求急剧增加，如炼钢、皮革、半导体等，而生产过程中不可避免地会产生大量污染物。其中，重金属(Heavy metals，HMs)污染由于其毒性高、修复困难、滞留时间长等特点受到研究者的广泛关注。此外，重金属污染如果处理不及时，会扩散至地下水及土壤，进一步富集在生物和植物体内，威胁食品、饮水安全，严重影响人类生存环境。因此，针对重金属污染的土壤修复及污水处理技术迫在眉睫。

HMs废水的处理方法主要有化学沉淀法、溶剂萃取法、吸附法、电絮凝法等，其中吸附法因其去除效率高、操作便捷而得到广泛的应用。到目前为止，已经开发了多种商用吸附剂(如沸石、壳聚糖、树脂等)用于HMs污染的修复，并取得了一定的效果，例如公开号为CN107029676A的中国专利文献报道的壳聚糖-有机蒙脱土吸附剂，对Pb、Ni、Cd有着良好的侧吸附效果，但由于存在二次污染、效率与热稳定性差、使用寿命不长等问题，其应用仍受到限制。

此外，大多数吸附剂针对特定污染物进行开发，仅对某一特定HMs污染物处理效果较好，无法实现HMs阴阳离子污染物(eg.Pb²⁺，Cd²⁺，CrO₄^2-等)的协同吸附。而实际工业废水和土壤污染往往具有成分复杂和多HMs污染物共存的特点，在施用过程中其他种类的HMs污染物会与目标污染物竞争吸附位点，从而导致目标污染物的修复效果大打折扣。

现有研究中的可用于协同吸附的吸附剂吸附量约在50～120mg/g，且存在吸附不稳定等问题，例如，公开号为CN108837803A的中国专利文献报道采用的Zn-Al水滑石-生物炭吸附剂，通过沉淀法将水滑石负载在生物质上后进行热解得到，对PO₄^2-的吸附量为26.47mg/g，同时Pb²⁺的协同吸附量为40.23mg/g，但存在阴阳HMs离子吸附量较小的缺陷，无法满足工业应用需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种硫基插层水滑石修饰的生物炭基吸附材料、其制备和应用，在疏水多孔的生物炭材料表面负载水滑石，通过水热法增加水滑石在生物炭上的负载量，同时通过S^2-阴离子插层的方式提升材料对阴离子的吸附能力，保障阴阳离子污染物的协同吸附，解决了现有技术重金属吸附剂对重金属离子吸附性能欠佳，尤其是存在阴阳HMs离子吸附量较小，无法协同修复等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种硫基插层水滑石修饰的生物炭基吸附材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将生物质原材料通过碱溶液浸渍后，置于非氧气氛下热解碳化制备得到活化的生物炭材料；

(2)将步骤(1)获得的活化的生物炭材料与金属盐和碱性缓冲液混合后进行水热反应，得到生物炭基水滑石材料；所述金属盐至少包括一种二价金属盐和一种三价金属盐；所述金属盐和碱性缓冲液为用于制备水滑石材料的金属盐和碱性缓冲液；