一种绿色纳米铁基生物质炭吸附材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种绿色纳米铁基生物质炭的制备方法，包括如下步骤：废茶树叶经过前处理后进行浸提，滤液调节pH作为绿色还原剂，茶渣烘干后作为茶渣生物质原料；茶渣生物质原料热解炭化，得茶渣炭；铁盐溶液加入茶渣炭、绿色还原剂后进行反应，得到绿色纳米铁基生物质炭悬浮液；磁分离悬浮液中的磁性固体产物，对磁性固体产物依次经NaOH溶液、超纯水、无水乙醇洗涤后，再次磁分离并真空冻干，得到可作为吸附材料的绿色纳米铁基生物质炭。其能用于重金属镉、铅、砷复合污染的水体和农田土壤的原位修复，通过磁场回收，循环利用。循环利用。循环利用。

【技术实现步骤摘要】
一种绿色纳米铁基生物质炭吸附材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于环保
，特别是涉及一种纳米铁基生物质炭吸附材料的绿色制备方法及其在水土重金属污染修复中的应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着社会经济高速发展，采矿冶炼、污水灌溉、农药施用等人类活动极大加剧了农田土壤中重金属污染，部分地区已达到中重度污染水平。据《2019年全国耕地质量等级情况公报》显示，我国耕地土壤中典型重金属镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)超标率位居前列，污染面积超13300hm2，在农业生态系统中共存时引起的综合致癌风险远高于单一污染。土壤重金属污染具有隐蔽性、持久性和不可逆转性等特点，可逐渐释放进入孔隙水，随着地表径流和淋溶作用污染地表水和地下水，同时在陆地和水体中通过食物链富集，对生物神经、内分泌、循环及消化系统造成极大损伤。因此，水土环境中重金属复合污染的修复已成为环境
的研究热点，亟需开发低成本、高效、环境友好型的修复技术。
[0003]由于重金属不可生物降解，近期的相关研究主要集中在利用原位化学钝化降低污染环境中重金属的移动性和生物有效性，其中以低值农林废弃生物质通过资源化利用制造新型吸附材料是符合“以废治污”的绿色修复手段。生物质炭是农林生物质在缺氧/无氧条件下经低温热解(300～700℃)而制成的一种高比表面积的多孔炭基材料，由于其表面负电荷和碱性，对环境中阳离子重金属Cd(II)、Pb(II)具有较高的吸附容量。然而，类金属As因环境氧化还原状态的差异常以HAsO
42
‑r/>、H2AsO4‑
两种含氧阴离子形式存在，无法被以碱性沉淀和静电吸附作用为主的生物质炭吸附固定。
[0004]研究表明，铁基材料通常对As具有良好的亲和性能，若对生物质炭表面进行相关功能化改性，有望实现同时修复环境Cd、Pb、As复合物污染。例如，具有高反应活性和核
‑
壳结构的纳米零价铁(nZVI)可通过其铁核和羟基氧化铁表面高效传递电子来还原Pb(II)、氧化As(III)，最终形成多相共沉淀和多元络合物降低这些污染物的移动性，是对生物质炭改性的理想材料。将纳米零价铁颗粒浸渍分散到生物质炭表面获得纳米铁基生物质炭复合材料(nZVI/BC)，既克服纳米零价铁的团聚缺陷，又增加了生物质炭的含铁官能团，在同时吸附多种重金属后可利用磁化特性将其从修复环境中磁分离。
[0005]当前对nZVI的制备大多采用物理球磨和液相还原铁盐(Fe
2+
/Fe
3+
)，两种工艺能耗高、使用有毒和易制爆还原剂(水合肼、多元醇、硼氢化物等)，施用于环境后可能引起生态毒性。例如，水合肼在室温环境中分解较快，导致还原反应难以继续；多元醇还原过程中需保持高温，且存在诸多难以控制的副反应；硼氢化物在水中溶解度较低，还原铁盐产生氢气，且整个反应过程需在氮气的保护下才能防止产物氧化，Xie等(2017)发现硼氢化钠还原的nZVI可导致土壤微生物细胞结构破裂和氧化损伤。然而，关于nZVI/BC的绿色制备技术鲜有报道，仅有部分研究通过植物叶片提取液中的还原性生物大分子获得了较低产率的绿色nZVI(G
‑
nZVI)，且因多酚类物质包裹纳米颗粒形成了严重的链状团聚，使得G
‑
nZVI的反应活性显著降低(Fazlzadeh等,2017)，还浪费了浸提后的叶片残渣生物质。同时，Zhang等
(2020)利用茶多酚还原FeCl3·
6H2O获得G
‑
nZVI，将其负载于商业购买的橡木生物质炭上制备复合材料，但当材料中Fe/C小于2:1时吸附重金属效果较差，成本效益低，缺乏对产物配比、反应体系pH、生物质炭热解温度等条件的优化。因此，需要改进绿色合成技术以获得低成本、生态环境友好的新型nZVI/BC高效吸附材料。
[0006]我国具有世界最大绿茶产区，仅浙江每年就有30万吨废茶树叶产生，废茶树叶为茶园中采茶或修剪茶树时废弃的老叶(水分含量约75％
‑
80％)；不包括已发酵或加工的茶业废弃物。
[0007]涉及的参考文献如下：
[0008]Fazlzadeh M.；Rahmani K.；Zarei A.；Abdoallahzadeh H.；Nasiri F.；Khosravi R.A novel green synthesis of zero valent iron nanoparticles(NZVI)using three plant extracts and their efficient application for removal of Cr(VI)from aqueous solutions.Adv.Powder Technol.2017,28,122
‑
130(Fazlzadeh M.,Rahmani K.,Zarei A.等，一种采用三种植物提取物合成纳米零价铁(NZVI)的新型绿色制备方法及其在有效去除水溶液中Cr(VI)的应用，先进粉末技术，2017,28,122
‑
130)；
[0009]Xie Y.；Dong H.；Zeng G.；Tang L.；Jiang Z.；Zhang C.；Deng J.；Zhang L.；Zhang Y.The interactions between nanoscale zero
‑
valent iron and microbes in the subsurface environment:A review.J.Hazard.Mater.2017,321,390
‑
407(Xie Y.,Dong H.,Zeng G.,等.纳米零价铁与微生物在地下环境中的交互作用研究综述.危害性材料学报.2017,321,390
‑
407)；
[0010]Zhang Y.；Jiao X.；Liu N.；Lv J.；Yang Y.Enhanced removal of aqueous Cr(VI)by a green synthesized nanoscale zero
‑
valent iron supported on oak wood biochar.Chemosphere.2020,245,125542(Zhang Y.,Jiao X.,Liu N.,等.绿色合成纳米零价铁改性橡木生物质炭促进水体中Cr(VI)的去除.化学圈.2020,245,125542)。

技术实现思路

[0011]本专利技术要解决的技术问题是提供一种简便、低成本、高效、安全的绿色纳米铁基生物质炭复合材料制备方法及其应用。
[0012]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种绿色纳米铁基生物质炭的制备方法，包括如下步骤：
[0013]1)、将废茶树叶清洗、干燥(含水量≤70％)、粉碎(10目)，所得粉末(茶叶粉末)加入超纯水(Milli
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种绿色纳米铁基生物质炭的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1)、将废茶树叶清洗、干燥、粉碎，所得粉末加入超纯水进行恒温水浴中浸提，静置冷却至室温后真空抽滤，分别获得滤液和茶渣，调节滤液pH至6.0～7.0作为绿色还原剂，茶渣烘干后作为茶渣生物质原料；2)、将步骤1)中茶渣生物质原料放置于管式炉中在500
±
150℃下热解炭化保温2
±
0.5h，降至室温后以0.01～0.05mol/L的HCl清洗，烘干，研磨过筛，获得茶渣炭；3)、将三价铁盐或二价铁盐溶解于超纯水中制得0.1～0.2mol/L铁盐溶液；4)、向步骤3)的铁盐溶液加入步骤2)获得的茶渣炭，调节混合体系pH至5.0～6.0后超声，使Fe
2+
/Fe
3+
吸附到茶渣炭表面，再依次添加无水乙醇、机械搅拌下加入步骤1)制得的绿色还原剂，于常压室温下反应0.5～2.5h后，得到绿色纳米铁基生物质炭悬浮液；所述茶渣炭与铁盐溶液的料液比为10～40g/L，铁盐溶液与乙醇的体积比为10:1～2，铁盐溶液与绿色还原剂的体积比为1:1
±
0.05；5)、磁分离步骤4)悬浮液中的磁性固体产物，对磁性固体产物依次经NaOH溶液、超纯水、无水乙醇洗涤后，再次磁分离并真空冻干，得到可作为吸附材料的绿色纳米铁基生物质炭。2.根据权利要求1所述的绿色纳米铁基生物质...

【专利技术属性】
技术研发人员：李章涛，虞轶俊，黄君灏，单胜道，孟俊，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：