一种用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法技术

一种用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法，方法为：将过60-100目筛的玉米秸秆加入到镧溶液中，用4-6MNaOH或氨水调节溶液pH为不低于10，离心，弃去上清液，用95%乙醇清洗；清洗后的固体经烘干和捣碎后，置于马弗炉中热解；热解产物冷却至室温，磨碎过60-100目筛的物料用蒸馏水反复清洗至pH为8以下，烘干，过60-100目筛的产物即为负载镧生物炭。本发明专利技术所制备的负载镧生物炭不仅具有高的除磷效率，制备工艺简便易行，制备成本低廉，而且充分利用了秸秆废弃物，减少了因焚烧秸秆而造成的环境污染，同时负载镧生物碳的二次利用于还田，增加了土壤的碳库和磷库。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于富营养水体净化
，具体涉及一种廉价高效、可二次利用的用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法。
技术介绍
水体富营养化是世界各国普遍存在的环保问题，我国也不例外，而且随着我国社会经济的快速发展，水体富营养化呈现普遍和日益严重的发展态势。所谓水体富营养化是指氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。在造成水体富营养化的氮、磷二因子中，磷被视为限制因子。因此，如何去除富营养化水体中的磷一直是人们关注的焦点和研究的热点。同时也研究和发展了多种除磷技术如生物除磷法、化学沉淀法、结晶、离子交换和吸附等，其中，吸附法以其操作简便易行、效率高、反应快成为最常用的技术。在吸附法中，研发了多种吸附剂如氧化铝、针铁矿、粉煤灰、蒙脱土、沸石、介孔氧化硅等。但由于传统的吸附剂存在着吸附能力低、吸附速率慢、吸附条件较为严格（通常只在特定的pH或温度范围内起作用)等问题，限制了其应用。由于稀土元素的氧化物往往具有较高的吸附阴离子的能力，所以近年来，利用稀土元素去除阴离子污染物和吸附去除水体中磷的研究多有报道。其中，镧因其价廉以及氧化镧的零电位点较高等特点，已被应用于水体的吸附除磷。然而，由于氧化镧一般以超细颗粒的粉末状（粒径在10-44μm之间)存在，不易于回收，也增加了废水除磷成本；同时将氧化镧直接应用于水体中，过量的镧会对一些水生生物造成毒害，影响了整个水生生态系统。由此可见，只有将镧负载到稳定性强、孔隙率较高的载体上才能实现其环境友好性应用。生物炭一般是指农作物（秸秆类)或树木等植物材料在缺氧或绝氧条件下热解产生的一类具有大孔隙率和比表面积的碳材料。生物炭因其具有极大的稳定性，施入土壤后可发挥固碳减排的作用；因其具有较大的比表面积且表面一般带负电，被用于吸附去除水体中的重金属和有机污染物，而难以吸附去除以阴离子形式存在的污染物。
技术实现思路
解决的技术问题：为了充分利用氧化镧和生物碳的优势并克服它们的不足，本专利技术将镧负载到生物炭上形成负载镧生物碳，目的在于提供一种既除磷效率高，工艺简便易行，成本低，又充分利用秸秆废弃物，还可二次利用的用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法。技术方案：用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法，制备步骤为：1)制备生物炭原料A0：风干玉米秸秆破碎成0.1-0.5cm的块状，用去离子水对其进行反复洗涤至洗涤液遇钼酸铵和抗坏血酸不显蓝色；然后将洗涤后的秸秆置于烘箱中烘干至恒重，粉碎，过60-100目筛的物料即为A0；2)制备生物炭原料和镧混合物A1：先将氯化镧加入蒸馏水中，再加入A0，其加入比例为：A0与蒸馏水的质量体积比为1:10（g/mL）、与镧元素的质量比为5%-15%；边搅拌上述混合溶液边逐滴加入4-6M NaOH或氨水至溶液为pH≥10，继续搅拌1-2h，再在4000-5000rpm下离心5-8min，倒掉上清液，将剩余固体用乙醇清洗2-4遍后放入烘箱中烘干至恒重即为A1；3)制备负载镧生物炭A2：将A1捣碎置于坩埚中，再放入马弗炉中300-600℃焙烧20-100min，冷却至室温后取出，过60-100目筛的物料用蒸馏水离心，转速4000-5000rpm，时间5-8min，清洗至pH<8，烘干，过60-100目筛的物料即为A2。步骤1）中块状玉米秸秆烘干温度为60-80℃，烘干时间为12-24h。步骤2）中混合溶液中镧元素与A0的质量比为11.13%。乙醇清洗后的固体其烘干温度为105-110℃，烘干时间为6-12h。步骤3）中A1在马弗炉中的焙烧温度为580℃。A1在马弗炉中焙烧时达到最高温度的保持时间为100min。热解产物离心清洗后的烘干温度为105-110℃，烘干时间为6-12h。有益效果：1、本专利技术所述方法所制备的用于净化富营养化水体的负载镧生物炭即A2具有很强的除磷能力，使用Langmuir模型计算得到的最大单层吸附量Qm为25.5mg P/g（表1)使其在吸附能力方面相比现在通用的活性炭吸附剂以及同类的镧负载型吸附剂在吸附能力方面都具有一定的竞争优势（表2)，可以切实有效地降低水体的富营养化风险；表1Langmuir与Freundlich吸附等温模型比较一览表2、由于本专利技术所使用的原材料为中国第一大秸秆产量的玉米秸秆和稀土元素中最为便宜的镧盐，因此本专利技术所制备的负载镧生物炭在充分利用秸秆废弃物，减少了因焚烧秸秆而造成环境污染的同时具备制备工艺简便易行、制备成本低廉等特点；另一方面，相比直接将镧吸附剂用于处理含P污水，将镧负载到生物炭上可大大降低由于过量镧进入水体可能造成二次污染的环境风险；此外，提出将吸附磷饱和的负载镧生物碳二次利用于还田，在增加土壤的碳库和磷库的同时微量镧的释放可改善作物品质、增加作物产量。因此，本明所制备的负载镧生物炭的实际应用具有一定的环境效益、经济效益和社会效益。表2本专利技术负载镧生物炭吸附能力与同类吸附剂比较一览表附图说明图1为模型的3D曲面（响应面）和交互作用关系，其中a为w(La)/w(秸秆)和热解温度的响应面，停留时间固定为60min；b为与a相对应的二者的交互作用关系图；c为热解温度和热解时间的响应面，w(La)/w(秸秆)固定为10%；d为与c相对应的二者的交互作用关系图；图2为玉米秸秆生物炭负载镧前后放大10万倍的SEM（扫描电镜)图，其中a为未负载镧的生物炭SEM图；b为负载镧生物炭SEM图；c为负载镧生物炭吸附磷饱和的SEM图；图3为玉米秸秆生物炭负载镧前后的EDS能谱图。其中a为生物炭负载镧之前的EDS能谱图；b为生物炭负载后的EDS能谱图；c为负载镧生物炭吸附磷饱和后的EDS能谱图；图4为本专利技术所制备的负载镧生物炭等温吸附图，其中a为本专利技术所制备的负载镧生物炭对磷酸根的等温吸附曲线；b为吸附等温线与Langmuir等温吸附模型的拟合；c为吸附等温线与Freundlich等温吸附模型的拟合。具体实施方式以下具体实施方式不以任何形式限制本专利技术的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本专利技术的保护范围。以下结合附图和具体实例对本专利技术作具体的介绍。在通常的工艺优化试验中，往往会遇到某一目标影响值y与多个影响因素x相关的情况，而通常的做法是单因素试验或者正交试验，即在一次试验中通过改变一个变量而保持其他因素固定来判断其对结果的影响，然而试验结果通常由多个因素决定，这种单因素试验的缺陷在于不能判别几个因素之间的相互作用对结果的影响，并且需要较多的试验次数，从而导致增加试验时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法，其特征在于制备步骤为：1)制备生物炭原料A0：风干玉米秸秆破碎成0.1?0.5cm的块状，用去离子水对其进行反复洗涤至洗涤液遇钼酸铵和抗坏血酸不显蓝色；然后将洗涤后的秸秆置于烘箱中烘干至恒重，粉碎，过60?100目筛的物料即为A0；2)制备生物炭原料和镧混合物A1：先将氯化镧加入蒸馏水中，再加入A0，其加入比例为：A0与蒸馏水的质量体积比为1:10（g/mL）、与镧元素的质量比为5%?15%；边搅拌上述混合溶液边逐滴加入4?6M?NaOH或氨水至溶液为pH≥10，继续搅拌1?2h，再在4000?5000rpm下离心5?8min，倒掉上清液，将剩余固体用乙醇清洗2?4遍后放入烘箱中烘干至恒重即为A1；3)制备负载镧生物炭A2：将A1捣碎置于坩埚中，再放入马弗炉中300?600℃焙烧20?100min，冷却至室温后取出，过60?100目筛的物料用蒸馏水离心，转速4000?5000rpm，时间5?8min，清洗至pH<8，烘干，过60?100目筛的物料即为A2。

【技术特征摘要】
1.用于净化磷污染水体负载镧生物炭的制备方法，其特征在于制备步骤为：
1)制备生物炭原料A0：风干玉米秸秆破碎成0.1-0.5cm的块状，用去离子水对其进行反复洗涤至洗涤液遇钼酸铵和抗坏血酸不显蓝色；然后将洗涤后的秸秆置于烘箱中烘干至恒重，粉碎，过60-100目筛的物料即为A0；
2)制备生物炭原料和镧混合物A1：先将氯化镧加入蒸馏水中，再加入A0，其加入比例为：A0与蒸馏水的质量体积比为1:10（g/mL）、与镧元素的质量比为5%-15%；边搅拌上述混合溶液边逐滴加入4-6M NaOH或氨水至溶液为pH≥10，继续搅拌1-2h，再在4000-5000rpm下离心5-8min，倒掉上清液，将剩余固体用乙醇清洗2-4遍后放入烘箱中烘干至恒重即为A1；
3)制备负载镧生物炭A2：将A1捣碎置于坩埚中，再放入马弗炉中300-600℃焙烧20-100min，冷却至室温后取出，过60-100目筛的物料用蒸馏水离心，转速4000-5000rpm，时间5-8min，清洗至pH<8，烘干，过60-100目...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，戴敏，巢军委，
申请(专利权)人：中国科学院南京土壤研究所，
类型：发明
国别省市：