一种生物炭基材料的制备及其在去除水环境中典型有机氯农药中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种生物炭基材料的制备及其在去除水环境中典型有机氯农药中的应用，是以含水率较高、灰分较高的湿地植物为生物炭材料的基础，利用限氧升温手段对其进行热解，制备对水环境中有机氯农药具有高效吸附特性的吸附材料。本发明专利技术生物炭基材料对硫丹(α硫丹和β硫丹)去除率达到80％以上。其中CANB550对α‑硫丹和β‑硫丹吸附过程符合Langmuir吸附模型，其最大吸附量分别为为25.34mg/g和9.92mg/g。

【技术实现步骤摘要】
一种生物炭基材料的制备及其在去除水环境中典型有机氯农药中的应用
本专利技术涉及一种生物炭基材料的制备及其在去除水环境中典型有机氯农药中的应用，属于有机污染物治理的

技术介绍
硫丹，是有机氯农药(OCPs)的一种。我国从1994年开始使用硫丹，1994-2004年用于棉花、烟草、茶树、小麦和苹果的硫丹总量约为2.57万吨，主要使用地区集中在新疆、华东地区、华中地区和西南地区。2011年硫丹被列入第三批《斯德哥尔摩公约》污染物清单。目前，市场上常使用的是35％的硫丹乳油产品。2016年12月，我国公布“十三五”生态环境保护规划，规划要求削减淘汰公约管制化学品，其中要求截止到2020年，基本淘汰硫丹等一批《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》管制的化学品。硫丹的分子式为C9H6CI6O3S，正辛醇水分配系数logKow为3.6，水生生物的蓄积因子为1000-3000。β-硫丹较α-硫丹降解慢，半衰期分别为33～376和7～75d。由于其半衰期较长、迁移能力强、富集性高，在水体环境中已普遍检测出硫丹的存在。我国大凌河流域水体中硫丹总量为2.06ng/L，江苏省的淮河流域的地表水源中α-硫丹达到33.3ng/L,β-硫丹达到6.7ng/L，丹江口水库的间隙水中β-硫丹含量达22.17ng/L。印度恒河流域检测出硫丹总量水体中为166.39ng/L，底泥中为353.5ng/g。美国南加州地表水、底泥及鱼类也检测出较高的硫丹，且远超美国EPA规定的能引起慢性毒性效应的水质标准(56ng/L)。欧洲丹麦饮用水中硫丹浓度已经超过了欧洲饮用水硫丹含量标准(0.1μg/L)。硫丹通过地表径流、淋、溶、干/湿沉降等方式进入水体，在直接影响大型水生植物和浮游藻类的同时，给鱼类等水生动物的生理生化、内分泌毒性、遗传毒性及代谢机制产生急性或慢性效应。因此亟需开展对水中硫丹去除技术的开发。目前对于OCPs的去除方法有生物法、化学法及物理法。硫丹碳环上的氯原子电负性极高，硫原子与氧原子组成的共价键较稳定，在水体中也易与氢原子形成氢键，这些性质使得它们具有极高的稳定性，并且硫丹的降解产物硫丹二醇及硫丹硫酸盐也具有毒性，传统的化学法和生物降解都很难应用到硫丹的去除技术中。目前，吸附法是较经济且较高效的方法，二氧化硅、木炭、粘土、碳纳米管等常被用做吸附硫丹的吸附剂，但是由于上述吸附剂存在经济费用高或效率低等缺陷，造成使用受限。
技术实现思路
本专利技术是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种生物炭基材料的制备及其在去除水环境中典型有机氯农药中的应用。生物炭来源广泛，价格低廉，可生物降解，质地疏松，比表面积大，表面吸附位点较多，有利于去除有机污染物。本专利技术以含水率较高、灰分较高的湿地植物为生物炭材料的基础，利用限氧升温手段对其进行热解，制备对水环境中α-硫丹(Alpha–Endosulfan)和β-硫丹(Beta-endosulfan)均具有高效吸附特性的吸附材料，对处理较高浓度的硫丹废水具有积极的借鉴意义和潜在应用价值。限氧升温手段，是利用阶段式升温程序对生物质材料进行热解的一种手段。热解过程中，通入适量氮气，营造无氧氛围，热解过程中产生的生物气、热解焦油等都可进行收集。此方法制备的生物炭较传统马弗炉法制备的碳材料比表面积大，吸附效果好。本专利技术生物炭基材料的制备，包括如下步骤：步骤1：预处理将湿地植物从野外获取后，用去离子水洗去根部泥土，将植物剪碎(小于5cm)，在通风处放置两天除去湿地植物的表层水，随后在100℃的温度下干燥至恒重去除结合水；所述湿地植物为美人蕉或菖蒲。步骤2：长纤维的去除将预处理后的湿地植物通过植物破碎机粉碎至100-300目，混合均匀后过200目筛，获得生物质材料；步骤3：限氧升温法制备生物炭基材料将步骤2获得的生物质材料置于刚玉容器中，放入管式炉，通入氮气，通过限氧升温的方式获得生物炭基材料。所得生物炭基材料降至室温后置于棕色广口瓶中，密封常温保存。步骤3中氮气的通入流量控制在300mL/min。步骤3中升温过程控制如下：首先以30min的时间使温度从室温升至100℃，随后以30min的时间使温度从100℃升至200℃，再以30min的时间使温度从200℃升至400℃，最后以40min的时间使温度从400℃升温至550℃并保温2.5h。步骤3中管式炉的降温程序控制为：30min降至400℃，40min降至100℃，最后降至室温。本专利技术制备的生物炭基材料的用途，是作为去除水环境中典型有机氯农药的吸附剂的应用。所述典型有机氯农药指α-硫丹或β-硫丹。本专利技术制备的生物炭基材料的应用，是在去除水环境中典型有机氯农药的过程中作为吸附剂使用，具体过程如下：将本专利技术生物炭基材料作为吸附剂加入含有有机氯农药的水体中进行振荡吸附，振荡吸附的温度为25℃，时间为5-7小时。所述有机氯农药为硫丹，含有有机氯农药的水体中硫丹的浓度为0.5-10mg/L。所述含有有机氯农药的水体的pH值≥7。本专利技术制备的CANB550与CALB550生物炭对硫丹(α硫丹和β硫丹)去除率达到80％以上。其中CANB550对α-硫丹和β-硫丹吸附过程符合Langmuir吸附模型，其最大吸附量分别为为25.34mg/g和9.92mg/g。本专利技术制备的CANB550和CALB550的吸附动力学、吸附容量、pH对吸附行为的影响：分别选取初始浓度为5.6mg/L的硫丹水溶液进行吸附动力学实验研究。具体操作为：准确称取100mg的CANB550和CALB550分别装入相应的1L具塞锥形瓶中，放置在摇床内，室温下，转速为150rpm，一定时间间隔(具体的时间间隔数)取出上清液3mL放置对应玻璃试管中，加入3mL正己烷，于20mL分液漏斗中萃取，萃取结束后，收集萃取液加入3mL正己烷，再次进行萃取。萃取结束后加入过量无水硫酸钠去除水分，充分震荡后，取0.5mL上清液，上机gaschromatography-electioncapturedetector(GC-ECD)测定溶液中α-硫丹和β硫丹浓度。分别选取初始浓度为0.5、1、2、5.6、8、10mg/L的一系列硫丹水溶液进行生物炭材料的吸附能力研究。具体操作为：准确称取50mg的生物炭质材料装入150mL具塞锥形瓶中，加入相应10mL硫丹溶液，放置在摇床内，室温下，转速为150rpm，平衡7h后，取上清液3mL放置对应玻璃试管中，萃取过程与吸附动力学研究一致。溶液pH会影响吸附剂和吸附质在溶液中的存在形式，因此研究不同pH溶液对生物炭CANB550和CALB550吸附α-硫丹和β-硫丹的影响，不仅可以为实际应用的最佳条件提供参考，还可以推断吸附剂对吸附质吸附的机制。准确称取50mg的CANB550于100mL具塞锥形瓶中，加入不同pH条件下1mg/L的α-硫丹和β-硫丹，于恒温摇床中在25℃、150rpm下振荡7h，吸附完成后取出3mL的上清液，具体萃取步骤同上。CALB550的吸附和萃取操作如CANB550。并计算在不同pH条件下的吸附去除率和吸附量。通过以上研究发现，本专利技术生物炭基材料可以同时对水相中的α-硫丹和β-硫丹进行高效的选择性吸附去除，其中CANB550对α-硫丹的最大吸附量Qmax本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物炭基材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：预处理将湿地植物从野外获取后，用去离子水洗去根部泥土，将植物剪碎，在通风处放置两天除去湿地植物的表层水，随后在100℃的温度下干燥至恒重去除结合水；步骤2：长纤维的去除将预处理后的湿地植物通过植物破碎机粉碎至100‑300目，混合均匀后过200目筛，获得生物质材料；步骤3：限氧升温法制备生物炭基材料将步骤2获得的生物质材料置于刚玉容器中，放入管式炉，通入氮气，通过限氧升温的方式获得生物炭基材料。

【技术特征摘要】
1.一种生物炭基材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：预处理将湿地植物从野外获取后，用去离子水洗去根部泥土，将植物剪碎，在通风处放置两天除去湿地植物的表层水，随后在100℃的温度下干燥至恒重去除结合水；步骤2：长纤维的去除将预处理后的湿地植物通过植物破碎机粉碎至100-300目，混合均匀后过200目筛，获得生物质材料；步骤3：限氧升温法制备生物炭基材料将步骤2获得的生物质材料置于刚玉容器中，放入管式炉，通入氮气，通过限氧升温的方式获得生物炭基材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述湿地植物为美人蕉或菖蒲。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中氮气的通入流量控制在300mL/min。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中升温过程控制如下：首先以30min的时间使温度从室温升至100℃，随后以30min的时间使温度从100℃升至200℃，再以30min的时间使温度从200℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：何琦，卢少勇，曹凤梅，陈方鑫，
申请(专利权)人：中国环境科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11