一种细菌源介孔炭材料及其制备方法和在重金属污染水系或土壤修复中的应用技术

本发明专利技术公开了一种细菌源介孔炭材料及其制备方法和在重金属污染水系或土壤修复中的应用，细菌源介孔炭材料的制备过程为：将细菌菌体置于保护气氛下热解，得到比表面大，具有类石墨片层结构及富含介孔，且能在土壤水相中释放正磷酸根离子的细菌源炭材料；该细菌源炭材料可以通过吸附、钝化和固定的方式用于修复土壤水相中重金属污染，并可以缓释磷，在重金属污染土壤修复领域具有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种细菌源介孔炭材料及其制备方法和在重金属污染水系或土壤修复中的应用
本专利技术涉及一种细菌源介孔炭材料，以及利用细菌源制备介孔炭材料的方法，还涉及一种细菌源介孔炭材料在重金属污染土壤修复中的应用，具有吸附钝化固定土壤水相中重金属离子和增加土壤肥力，属于土壤修复领域。
技术介绍
土壤污染以重金属污染为主，特别是农田镉污染会影响粮食安全和民众健康。我国人多地少，要如期实现《土壤污染防治行动计划》要求的2020年前污染耕地安全利用率达90％以上和2030年前污染耕地安全利用率达95％以上的目标，就亟需开发简单、经济、高效的农田重金属污染修复技术，以保障在轻度、中度重金属污染农田上生产出安全农产品。目前，农田重金属污染修复技术主要是物理法、化学法和生物法。物理法处理彻底，但无法实现大规模处理，且成本高昂；化学法处理迅速，但可能存在二次污染；生物法虽环境友好，但效率低处理时间长。因此，上述修复方法难以同时满足成本低廉、绿色环保、快速高效的要求。近来，生物炭因其原料易得、易加工和具有丰富的孔隙结构和独特的表面化学性质，成为一种新型土壤改良材料被广泛应用于重金属污染土壤的修复。当前，生物炭通常以木炭、秸秆、动物粪便等废弃物作原料，在一定温度下限氧制备形成，其吸附性能与其元素组成、化学性质和热解条件等因素密切相关。然而，已知报道的大多生物炭表面形态均为多孔结构，如文献(AhmadM,RajapakshaAU,LimJE,etal.Biocharasasorbentforcontaminantmanagementinsoilandwater:areview[J].Chemosphere,2014:19-33.)，但比表面积和吸附效果受到层数限制。另外，生物炭高度的稳定性在实际应用时可能带来潜在的风险以及生物炭对重金属离子的吸附是否长期稳定都是需要学者们重视的问题。
技术实现思路
针对现有的生物质炭材料在重金属污染土壤或水系中使用过程中存在的缺陷，本专利技术的第一个目的是在于提供一种由菌源为前驱体一步炭化制成的比表面大，具有类石墨片层结构及富含介孔，且能在土壤水系中释放正磷酸根离子的细菌源炭材料。本专利技术的第二个目的是在于提供一种简单、低成本的制备所述细菌源介孔炭材料的方法。本专利技术的第三个目的是在于提供所述细菌源介孔炭材料在重金属污染土壤或水系修复中的应用，其可以高效吸附和固定水系中的重金属离子，也可以作为土壤改良剂材料用于去除并固定土壤环境中的重金属离子，同时释放植物可吸收的磷肥，增加土壤肥力，因此具有广泛的应用前景。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种细菌源介孔炭材料的制备方法，该方法是将细菌菌体置于保护气氛下热解，得到细菌源介孔炭材料。本专利技术技术方案关键在于采用细菌源作为生物质炭的前驱体，细菌源不但个体微小，直径一般在0.5～5μm之间，特别是细菌的细胞壁主要由肽聚糖层组成，占细胞干重的40～90％，具有独特的三维立体网状结构，多层网格紧密坚固，因此，炭化后能形成丰富的孔隙及层状结构，另外，细菌含磷量高，炭化过程中不易挥发，这对金属离子的固定有着重要的作用，且可以在土壤水系中释放正磷酸根。本专利技术技术方案采用细菌源作为前驱体材料，细菌来源广，繁殖快，廉价易得。优选的方案，所述细菌菌体为革兰氏阳性芽孢杆菌菌体，相对现有的其它细菌，革兰氏阳性芽孢杆菌具有更厚的肽聚糖层和更紧实的三维立体网状结构，炭化以后类石墨层状结构更明显，且富含介孔。优选的方案，所述细菌菌体通过以下方法得到：细菌菌种通过液体培养基培养增殖后，将培养液通过离心分离及冷冻干燥，即得。培养基可以针对不同的细菌菌种可以选择相应的适宜培养基，主要是使细菌快速增殖。如革兰氏阳性芽孢杆菌采用常见的LB液体培养基。本专利技术的细菌菌种为现有技术中常见细菌菌种，细菌菌种可以直接购买现有商品菌种。优选的方案，所述热解过程为：以5～15℃/min升温速率升温至250℃～550℃，保温1～3h。较优选的方案，所述热解过程为：以8～12℃/min升温速率升温至300℃～450℃，保温1.5～2.5h。温度需高于250℃，才会有类石墨烯层状碳生成，而温度过高，如高于550℃会影响介孔的生成以及降低磷的含量。本专利技术的保护气氛为氮气和/或惰性气氛，惰性气氛如氩气。本专利技术还提供了一种细菌源介孔炭材料，其由上述制备方法得到。优选的方案，所述细菌源炭材料具有多孔片层类石墨烯结构，其孔隙以介孔为主。优选的方案，所述细菌源炭材料比表面积为4.671～65.187m2/g，平均孔径36～60nm。本专利技术的细菌源炭材料具有多孔片层的类石墨烯结构，比表面积大，在土壤水相中可伸展成多层片层结构，故对重金属离子的饱和吸附量大，吸附后镉离子能与细菌源炭材料内部的磷酸根形成重金属磷三元络合物和重金属磷类晶体，被锁定在该材料的介孔中，有效降低了重金属离子的生物有效性。优选的方案，所述细菌源炭材料具有在土壤水相中释放正磷酸根离子的特征。本专利技术还提供了一种细菌源介孔炭材料的应用，其作为重金属污染水系或土壤修复材料应用。优选的方案，所述细菌源介孔炭材料用于固定重金属污染水系或重金属污染土壤中重金属离子，同时释放正磷酸根离子。本专利技术的一种细菌源炭材料的制备包括以下具体步骤：第一步，革兰氏阳性芽孢杆菌纯菌接种于LB液体培养基中，培养36h；第二步，将培养液在4000rpm下离心15min，所得菌体用超纯水清洗一遍，得到湿菌体，再经真空冷冻干燥机冻干、研磨，得到冻干菌体；第三步，将湿菌体用真空冷冻干燥机冻干、研磨，得到冻干菌体；第四步，将第三步中冻干菌体置于样品瓷舟中，通入氮气使管式炉中气压达到1.5MPa，密闭热解，待反应结束冷却至室温取出，热解过程是将温度分别升高至250℃～550℃，热解120min，升温速度为10℃/min，研磨，得到所述的细菌源炭材料。本专利技术将细菌源炭材料用于吸附钝化土壤水相中重金属离子，可降低土壤水相中重金属离子生物有效性，同时增加土壤肥力。重金属离子如常见的镉离子。本专利技术的细菌源炭材料在24h时对土壤水相中的镉离子饱和吸附量最高可以达到43.65mg/g。本专利技术将细菌源炭材料对重金属离子能产生吸附和钝化作用，重金属离子转化成较稳定的重金属磷三元络合物吸附在细菌源炭材料表面及重金属磷晶体沉淀被锁定在细菌源炭材料的介孔中。本专利技术将细菌源炭材料可向土壤水相中释放正磷酸根离子，在48h时正磷酸根离子释放量达2.68mg/g，可作为一种磷缓释肥应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术以细菌源作为炭材料的前驱体原料，细菌繁殖生长迅速，容易获得，相对廉价。(2)本专利技术的细菌源炭材料具有丰富的层状结构和内部孔隙结构，比表面积大，对重金属离子饱和吸附量大，特别是对镉离子的吸附容量可以达到43.56mg/g；(3)本专利技术的细菌源炭材料可在土壤水相中缓慢释放可以被植物吸收的磷元素，用于土壤中可作为一种潜在的磷缓释肥料提高土壤肥力，促进作物生长。(4)本专利技术的细菌源炭材料内部富含正磷酸根离子，重金属离子可通过与正磷酸根离子反应生成较稳定晶体或络合物，在细菌源炭材料表面吸附固定，或者生成沉淀被锁定在细菌源炭材料的介孔中，从而大大降低土壤水相中重金属离子生物有效性，如农田土壤水相中镉离子的生物有效性最高可本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种细菌源介孔炭材料的制备方法，其特征在于：将细菌菌体置于保护气氛下热解，得到细菌源介孔炭材料。

【技术特征摘要】
1.一种细菌源介孔炭材料的制备方法，其特征在于：将细菌菌体置于保护气氛下热解，得到细菌源介孔炭材料。2.根据权利要求1所述的一种细菌源介孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述细菌菌体为革兰氏阳性芽孢杆菌菌体。3.根据权利要求1或2所述的一种细菌源介孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述细菌菌体通过以下方法得到：细菌菌种通过液体培养基培养增殖后，将培养液通过离心分离及冷冻干燥，即得。4.根据权利要求1～3任一项所述的一种细菌源介孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述热解过程为：以5～15℃/min升温速率升温至250℃～550℃，保温1～3h。5.根据权利要求4所述的一种细菌源介孔炭材料的制备方法，其特征在于：所述热解过程为：以8～12℃/min升温速率升温至300℃～450℃，保温1....

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，唐艺欣，郑扬，田江，李程程，刘兴旺，葛飞，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43