一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用制造技术

本发明专利技术涉及土壤修复技术领域，尤其是一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用。包括以下步骤：S1、对污染土壤样品初筛；S2、称取污染土壤，加入Fe3C@BC材料混匀培养，于2

【技术实现步骤摘要】
一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用


[0001]本专利技术涉及土壤修复
，尤其是一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着工业的快速发展，越来越多的有毒重金属进入水体和土壤。除了生物的重金属积累和富集外，它们在自然界中不能降解，因此会对水土环境造成严重危害，并通过食物链进入人体，对人类健康构成了严重威胁。
[0003]重金属在土壤中主要以弱酸溶解态(可交换态和碳酸盐结合态)、可还原态(铁锰氧化物结合态)、可氧化态(有机物结合态)和残渣态的形式存在。其中，可交换态重金属的毒性最大且最易迁移，残渣态重金属的毒性最小且最稳定。当土壤受到外来重金属污染源的污染时，在初始阶段，可交换态重金属的占比增加，残渣态重金属占比较小，使得重金属在土壤中有较强的可迁移性，易被植物吸收利用，也易经雨水冲刷到水体中。随着时间的推移，可交换态重金属会向其余几种形态逐渐过渡转化，最终一部分重金属稳定在残渣态。
[0004]重金属污染的修复可以通过物理、化学和生物方法去除或固定土壤中的重金属，以限制其在土壤中的迁移和生物有效性。在各种处理技术中，吸附法是一种常用的快速、高效、操作简单和低成本的处理重金属的方法。其中，低成本的吸附剂是修复重金属污染过程中的关键。目前，修复土壤使用的改良剂主要有生物菌剂、离子矿化稳定剂、膨润土、粉煤灰、活性炭及铁纳米颗粒等。
[0005]碳基类吸附材料是去除环境中重金属最具成本效益的吸附剂。生物炭的有机碳结构比例高，含氧基团丰富(酚类、脂肪羟基和羧基基团等)，可以为重金属离子提供特定的吸附位点。另外，生物炭还有助于土壤中持水量、氧气含量、水分含量等物理性质的改善。普通生物炭虽能对污染物进行有效控制，但存在着材料施加后不易回收、再生等问题，这些都限制了生物炭在复合污染土壤修复领域的应用。
[0006]铁基纳米材料是一类活性很强的磁性材料，因其特有的表面效应和小尺寸效应，其具有优越的吸附性能和很高的还原活性，可通过氧化还原和共沉淀去除多种有毒有害污染物，但因其活性过强，性质不稳定，在空气中较长时间易被氧化且在水溶液中往往出现团聚现象，从而导致反应活性降低。在实际土壤修复中，若直接将纳米铁颗粒修复剂添加到土壤中，铁元素的大量释放往往会对土壤造成负面影响，影响土壤的孔隙结构，导致土壤板结，不利于土壤的再利用和植物的再生长。因此，需要在纳米铁颗粒的表面负载一种稳定性强的材料来阻止其氧化和团聚。
[0007]目前将生物炭和纳米零价铁材料结合获得碳化铁类碳铁复合材料的报道还较少，并且，对于碳化铁类碳铁复合材料的研究尚处于初步阶段，其在环境修复领域的实际应用还有待于进一步探索。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用。磁性生物炭基碳化铁材料经过铁改性的生物炭的表面含氧官能团明显增加，且在吸附过程中可与重金属形成更加稳定的络合物；生物炭表面的纳米铁颗粒不再团聚，且铁基能与重金属离子发生亲电反应，从而形成更稳定的配位螯合物。含铁生物炭材料具有磁性，易于分离再生，可循环使用，为其在实际废水和重金属污染土壤环境中的应用提供理论依据。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0010]本专利技术提供一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用，包括以下步骤：
[0011]S1、对污染土壤样品初筛，筛选出含有重金属的污染土壤；
[0012]S2、称取含有重金属的污染土壤，加入质量分数为0.1％～2％的Fe3C@BC材料混匀，培养，于2
‑
14天取样获得重金属污染修复土壤；将重金属污染修复土壤置于80～90℃温度下加热，采用BCR四步法提取重金属污染修复土壤中不同形态的重金属；
[0013]S3、将重金属污染修复土壤进行烘干、研磨、过筛处理，用磁铁筛选，将Fe3C@BC材料从重金属污染修复土壤中完全分离出来(分离后的土壤中重金属全量显著降低)；使用微波消解萃取系统对分离Fe3C@BC材料的剩余土壤和未修复的污染土壤进行消解，分别测定土壤中剩余重金属的全量。
[0014]经过上述三步即完成磁性生物炭基碳化铁材料应用在修复重金属污染土壤的一个处理周期。其中磁性生物炭基碳化铁材料(Fe3C@BC材料)的添加可将毒性大且易迁移的可交换态重金属逐渐钝化为稳定性更强的可氧化态和残渣态重金属。材料的投加量和土壤培养时间均对土壤中Cd、As和Pb的形态变化均有积极影响，投加量越大、培养时间越长，其金属形态向稳定状态转化的比例越大。
[0015]作为本专利技术所述磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用的优选实施方式，所述应用还包括Fe3C@BC材料的回收和再生循环利用步骤：
[0016]将步骤S3中研磨后的重金属污染修复土壤经过磁力分选分离得到回收的Fe3C@BC材料；更优选地，磁力分选的次数为3次。
[0017]将Fe3C@BC材料放入浓度为5～10mg/L的含有As(III)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的溶液中吸附，采用真空抽滤固液分离，获得吸附重金属的Fe3C@BC材料，在氮气保护下置于800℃下加热1h进行热脱附处理，再投入下一次吸附应用，循环四次(循环四次Fe3C@BC材料对重金属仍然具有很好的固定效果)，并测定Fe3C@BC材料的XRD表征，记录每次循环再生的形貌变化情况。
[0018]将重金属污染修复土壤经过磁力分选3次后分离得到的Fe3C@BC材料，其回收量均可在95％以上，Fe3C@BC材料表现出较强的铁磁性，具有优异的可回收性。
[0019]本专利技术还包括Fe3C@BC材料的再生循环利用步骤，Fe3C@BC对As(III)的第一次吸附去除效率为74.03％，对Pb(II)的第一次吸附去除效率为88.23％，对Cd(II)的第一次吸附去除效率为27.95％，在第四次循环使用后，对As(III)的去除效率相对于第一次吸附降低了20％左右，对Pb(II)的去除效率比第一次降低23％左右，对Cd(II)的去除效率比第一次降低5％左右，均在可接受损耗范围，吸附了Pb(II)/Cd(II)的材料表面均无新衍射峰出现，
说明Fe3C@BC材料在应用中具有良好的稳定性和循环使用性能。
[0020]更优选地，步骤S1中，使用手持式光谱仪(XRF)对污染土壤样品初筛。
[0021]作为本专利技术所述磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用的优选实施方式，所述Fe3C@BC材料采用专利CN108607507A公开的生物质基碳化铁材料。
[0022]作为本专利技术所述磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用的优选实施方式，所述步骤S2中，加入质量分数为1％和2％的Fe3C@BC材料。
[0023]作为本专利技术所述磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用的优选实施方式，所述步骤S2中，于2天、7天和14本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用，其特征在于，包括以下步骤：S1、对污染土壤样品初筛，筛选出含有重金属的污染土壤；S2、称取含有重金属的污染土壤，加入质量分数为0.1％～2％的Fe3C@BC材料混匀，培养，于2
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14天取样获得重金属污染修复土壤；将重金属污染修复土壤置于80～90℃温度下加热，采用BCR四步法提取重金属污染修复土壤中不同形态的重金属；S3、将重金属污染修复土壤进行烘干、研磨、过筛处理，用磁铁筛选，将Fe3C@BC材料从重金属污染修复土壤中完全分离出来；使用微波消解萃取系统对分离Fe3C@BC材料的剩余土壤和未修复的污染土壤进行消解，分别测定土壤中剩余重金属的全量。2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用还包括Fe3C@BC材料的回收和再生循环利用步骤：将步骤S3中研磨后的重金属污染修复土壤经过磁力分选分离得到回收的Fe3C@BC材料；将Fe3C@BC材料放入浓度为5～10mg/L的含有As(III)、Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的溶液中吸附，采用真空抽滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗茜，赵楠，高佳，刘坤源，印梓勤，王睿，章卫华，汤叶涛，仇荣亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：