层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料及其制法和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：准备进行了碱活化预处理的生物炭材料；将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上，并进行老化处理，得到Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料。本发明专利技术还公开了通过上述制备方法制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料及其在土壤改良修复和/或面源污染控制中的应用。本发明专利技术提出的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料及其制法和应用，能够强化土壤中氮素的持留和重金属的固定，达到减少面源污染、保持土壤肥力及降低土壤重金属污染风险的效果。

Layered Dihydroxides and Alkali Activated Biocharcoal Composites and Their Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料及其制法和应用
本专利技术涉及环境工程材料
，尤其涉及一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料及其制法和应用。
技术介绍
我国是氮肥使用大国，氮肥年使用量305kg/ha，约为世界均值的4倍，然而其有效利用率仅为20-35％，大量氮素物质(NH4+-N和NO3--N)流失到水体或者空气中，引发严重的环境污染问题。同时，氮肥的滥用，会直接或者间接造成土壤中H+含量提高，破坏土壤中铁锰矿物或者与重金属形成竞争性吸附，从而提升土壤中重金属有效态的含量；重金属有效态含量的提升又会反作用于氮循环，影响土壤中氮素物质的迁移转化，比如促进N2O的释放。所以，农田中氮素的无效损失和重金属有效性提升是并存、相互影响的环境问题，兼顾土壤中氮素的持留和重金属的固定是必要的。以上
技术介绍
内容的公开仅用于辅助理解本专利技术的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述
技术介绍
不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料及其制法和应用，能够强化土壤中氮素的持留和重金属的固定，达到减少面源污染、保持土壤肥力及降低土壤重金属污染风险的效果。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术公开了一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1：准备进行了碱活化预处理的生物炭材料；S2：将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上，并进行老化处理，得到Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料。优选地，步骤S1中具体包括：S11：将生物质材料用KOH溶液浸泡24～48h，并烘干至恒重；S12：将烘干后的生物质材料在500～700℃的惰性气体氛围下进行热解2～4h；S13：将热解得到的生物炭进行清洗，并烘干至恒重，再进行粉碎、过筛处理后得到所述生物炭材料。优选地，步骤S11中的KOH溶液的浓度为1mol/L。优选地，步骤S2中Mg/Fe型层状双氢氧化物和生物炭材料的质量比为2:1。优选地，步骤S2中将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上具体包括：S21：将20ag的生物炭材料加入到100a～200aml的去离子水中，搅拌均匀；S22：向步骤S21得到的溶液中加入稀盐酸或稀硝酸溶液，并持续向溶液中鼓入氮气，直至将溶液的pH值调节至3～4；S23：向步骤S22得到的溶液中加入KOH溶液直至将溶液的pH值调节至9.5～10.5，并将混合溶液的温度升高至60～80℃；S24：在惰性气体氛围下向步骤S23得到的溶液中同时逐滴加入MgCl2和FeCl3的混合溶液以及KOH溶液，并同时控制溶液的pH值在9.5～10.5之间，以将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上。优选地，步骤S2进一步还包括：S25：将步骤S24得到的溶液在惰性气体氛围下搅拌30～60min，然后将溶液放入真空干燥箱中在60～80℃下老化处理24～48h；S26：采用脱气去离子水对合成的材料进行洗涤、离心；S27：将离心脱水后的材料放入真空干燥箱中，烘干至恒重，并进行粉碎、过筛处理后得到Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料。优选地，步骤S24中加入的MgCl2和FeCl3的混合溶液的总浓度为1mol/L，其中的MgCl2和FeCl3的摩尔比为5:1；进一步地，步骤S24中的KOH溶液的浓度为1.5mol/L。优选地，步骤S26中具体包括：采用脱气去离子水对合成的材料进行洗涤、离心直至混合溶液的电导率在800～1000μs/cm；进一步地，步骤S27中烘干的温度为60～80℃，过筛的尺寸为0.149～0.45mm。本专利技术还公开了一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料，采用上述的制备方法制得。本专利技术还公开了根据上述的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的应用，将所述的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料应用于土壤改良修复和/或面源污染控制。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术中所用到的原材料为农业固体废弃物(即秸秆)以及价格低廉的镁盐和铁盐，原材料丰富易得，价格低廉，可以达到固体废弃物处置和污染治理的双重效果。(2)本专利技术中的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的合成流程简单、易操作，所需设备较为常规，生产成本低，适于大规模推广应用。(3)本专利技术通过新的合成步骤，使得Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料具有优良的性能。通过碱活化预处理使得复合材料具有微孔和介孔并存的孔隙结构，比表面积达到90.12m2/g，同时为层状双氢氧化物的负载和纳米化提供了良好的支撑层；通过对生物炭酸化预处理以及在层状双氢氧化物负载时持续通入氮气，使得复合材料中层状双氢氧化物部分的层间阴离子以Cl-为主；控制生物炭和层状双氧化物的比例，使得复合材料的电性接近中性。(4)本专利技术中的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料可以同时高效吸附氮素和重金属，首次实现了一种材料对于氮素和重金属等多种物质的同时有效去除，可以用于土壤/水体复合污染问题的解决中，降低了问题解决的难度以及处理成本。(5)本专利技术中的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料具有强吸附-缓释放氮素和强吸附-弱释放重金属的功能，可以用于土壤改良中，达到土壤氮素持留和重金属固定的双重效果，对于减少面源污染、保持土壤肥力及降低土壤重金属污染风险具有重大意义。附图说明图1是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的扫描电镜图；图2是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料与Mg/Fe型层状双氢氧化物以及碱活化生物炭的氮气吸附曲线对比图；图3a是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料对氮素的吸附等温线结果；图3b是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料对重金属的吸附等温线结果；图4a是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料与Mg/Fe型层状双氢氧化物以及碱活化生物炭的对氮素的吸附能力对比结果；图4b是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料与Mg/Fe型层状双氢氧化物以及碱活化生物炭的对重金属的吸附能力对比结果；图5是本专利技术优选实施例制得的Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料对于氮素和重金属的再释放能力。具体实施方式下面对照附图并结合优选的实施方式对本专利技术作进一步说明。生物炭作为一种绿色廉价的材料，对于氮素、重金属等物质均具有一定的吸附能力，近年来被广泛用于水体、土壤污染治理中。然而，直接裂解制备的生物炭对NH4+-N、NO3--N或者重金属的吸附能力有限，易受到pH、共存离子等因素的影响，土壤需求量大；对于某些物质没有吸附能力、难以兼顾多类物质的同时吸附，甚至可能促进土壤中某种氮素或者重金属的淋出。所以，本专利技术优选实施例中通过将其进行改性处理，制备新型的生物炭复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：准备进行了碱活化预处理的生物炭材料；S2：将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上，并进行老化处理，得到Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：准备进行了碱活化预处理的生物炭材料；S2：将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上，并进行老化处理，得到Mg/Fe型层状双氢氧化物和碱活化生物炭复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中具体包括：S11：将生物质材料用KOH溶液浸泡24～48h，并烘干至恒重；S12：将烘干后的生物质材料在500～700℃的惰性气体氛围下进行热解2～4h；S13：将热解得到的生物炭进行清洗，并烘干至恒重，再进行粉碎、过筛处理后得到所述生物炭材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S11中的KOH溶液的浓度为1mol/L。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中Mg/Fe型层状双氢氧化物和生物炭材料的质量比为2:1。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中将Mg/Fe型层状双氢氧化物原位负载到所述生物炭材料上具体包括：S21：将20ag的生物炭材料加入到100a～200aml的去离子水中，搅拌均匀；S22：向步骤S21得到的溶液中加入稀盐酸或稀硝酸溶液，并持续向溶液中鼓入氮气，直至将溶液的pH值调节至3～4；S23：向步骤S22得到的溶液中加入KOH溶液直至将溶液的pH值调节至9.5～10.5，并将混合溶液的温度升高至60～80℃；S24：在惰性气体氛围下向步骤S23得到的溶液中同时逐滴加入MgCl2和FeC...

【专利技术属性】
技术研发人员：管运涛，张立勋，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44