一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法技术

本发明专利技术涉及一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法，将原始生物质材料混合后经过糙皮侧耳菌丝接种得到多孔农业废弃物，并利用酸改性处理和厌氧热解处理，制备生物炭的同时使得其的多孔性得以体现，在此基础上，在液相中保持生物炭颗粒悬浊状态下合成、负载水铁矿纳米颗粒，重构孔隙结构，制备出一种孔隙联通、负载均匀的改性生物炭材料。应用于对砷和有机污染物吸附和降解中，在45小时的处理时间内，砷和亚甲基蓝的去除率始终高于96％，过程中材料吸附砷达到826mg kg

【技术实现步骤摘要】
一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法


[0001]本专利技术属于环境工程领域，涉及同步去除砷和有机污染物的技术，尤其是一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法。

技术介绍

[0002]无机和有机污染物的复合污染是较为常见的环境污染问题。对于砷和有机物的复合污染不仅会出现在水环境中，在土壤中也比较常见，例如砷和多环芳烃两种污染物经常在焦化场地、矿山冶金场地、木材存储场地同时可被检测出。针对砷和有机物污染已经开发的去除技术包括：吸附法、化学沉淀、氧化法等。然而，两种以上的污染物共同存在时，由于化学性质不同，可能需要几种处理方法或去采用几种不同材料才能有效地去除所有污染物，过程繁琐，工序复杂。
[0003]生物炭是通过动植物等生物质碳化裂解制备的一种具有高度芳香化的含碳固态物质，其孔结构丰富、比表面积大，化学和生物学稳定性较高，在固碳减排、改良土壤、环境修复，以及污染物吸附和降解中有很好的应用前景。生物炭的孔隙结构特征是其性能的重要指标，孔隙度越高，孔隙连通性越好，其吸附能力一般就越强。但长期以来对于生物炭的制备只是通过简单地化学方法改性(如酸处理或碱处理等)和热解温度的调节改变其孔隙结构，难以达到最佳的效果。
[0004]生物炭负载其它材料是提高其污染物处理能力的常用方法。铁矿物是常见的生物炭负载材料，但现有的负载方法多是将含铁试剂与生物质简单混合后在经过热解处理或者将制备好的生物炭和铁矿物简单混合后在进行研磨、造粒等工序制备复合生物炭材料。这些处理没有考虑负载过程对生物炭孔隙结构的进一步优化。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法，以农业废弃物为原始生物质材料，利用真菌菌丝生长过程中穿透生物质能力强，并联合酸改性处理和厌氧热解制备生物炭使生物炭体现出较高的比表面积，通过负载水铁矿纳米颗粒，一方面进一步优化生物质孔隙结构，另一方面使复合材料具芬顿氧化催化能力，最终得到一种孔隙联通、负载均匀，能够同时吸附砷并芬顿氧化催化降解有机物的材料。
[0006]本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0007]一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法，具体工艺方法步骤如下：
[0008](1)原始生物质材料前处理与混合：取如下质量份数的各组分：
[0009]棉籽壳70份，玉米芯5份，玉米秸秆10份，麦麸8份，豆粕5份，白灰2份，粉碎过20目筛，均匀混合，加水调至含水率65％，置于带气体交换小孔的长方形塑料半密闭容器内，压
实，在温度97
‑
100℃下，高压灭菌20
‑
30分钟后，调节含水率为50
‑
65％；
[0010](2)菌丝接种和管理：用打孔棒均匀地在步骤(1)得到的原始生物质材料上打直径为1.3
‑
1.5cm、深1.8～2.4cm的接种孔，将约2cm3的菌丝团簇体塞入接种孔，使接种孔与菌丝团簇密切吻合，在室温和无菌条件下完成糙皮侧耳菌丝接种，接种后控制温度为23
‑
28℃，湿度72
‑
80％，经过12
‑
18天的培养，菌丝可长满容器，此时，在长方形塑料半密闭容器开口，使真菌菌丝进一步生长；
[0011]其中，所述的菌丝团簇体的制备方法为：选择带孢子的糙皮侧耳菌伞，收集孢子及进行培养纯化，在无菌条件下，用试管口从菌伞褶处顶穿菌伞，使菌伞种片陷入管口以内，于24
‑
26℃条件下恒温培养6小时后取出菌伞种片，于24～26℃恒温培养1周，待孢子萌发，切取生长迅速、无杂菌污染的菌丝团转管，待菌丝长满管后形成菌丝团簇，备用。
[0012]糙皮侧耳的菌丝直径在0.3
‑
1.5μm之间，且比较均匀，大量菌丝排列密集，纵横交错，向不同的方向发出分枝。其穿透生物质细胞壁后可产生相应直径的孔隙，利用真菌生长过程中降解生物质材料细胞壁中木质素、纤维素、半纤维素的能力诱导生物质内部形成疏松孔隙结构，为最终的高比表面积生物炭制备创造条件。
[0013](3)多孔农业废弃物的获取：待菌丝生长4
‑
8个月收取多孔农业废弃物，经干燥、破碎之后，再过60目筛备用；
[0014](4)化学改性优化多孔农业废弃物孔隙结构：将80
‑
120g干燥好的多孔农业废弃物浸泡于500mL浓度为0.8
‑
1.2mol
·
L
‑1的HCl溶液中，不断搅拌加热至90℃后自然冷却至室温，混合物用去离子水清洗以去除多余的HCl，烘干过60目筛；
[0015]酸改性过程使得穿透生物质细胞壁的菌丝更容易和生物质分离，为厌氧热解过程中生物炭产生较高的比表面积创造了条件。
[0016](5)厌氧热解处理：将上述步骤(4)制得的改性生物炭置于马弗炉中在600℃，N2保护下，厌氧条件下热解1小时，冷却至室温后取出；
[0017]本方法通过酸改性处理优化孔隙结构，厌氧热解制备生物炭后，在液相中保持生物炭颗粒悬浊状态下合成、负载水铁矿纳米颗粒，进一步重构孔隙结构，制备出一种孔隙联通、负载均匀，能够同时吸附重金属并芬顿氧化催化降解有机物的材料。
[0018](6)负载水铁矿纳米颗粒：将50g上述步骤(5)制得的生物炭加入2L浓度为0.1molL
‑1Fe(NO3)3溶液中，制备出生物炭和水铁矿纳米颗粒质量比为4的负载水铁矿纳米颗粒生物炭，用水对所得沉淀进行多次洗涤去除多余离子后通过冷冻干燥。
[0019]在负载水铁矿纳米颗粒工艺步骤中使用1mol L
‑1NaOH溶液将体系的pH调整至7.20，搅拌10min后将体系稳定1.5
‑
2小时，再调pH为7.20。
[0020]通过不同水铁矿纳米颗粒负载量，优选较好的孔隙重构形态。由于水铁矿纳米颗粒的负载，生物炭和水铁矿纳米颗粒质量比为4的处理形成小孔隙，同时表面负载的水铁矿纳米颗粒增加了表面粗糙程度，提高了孔隙率，成功实现了孔隙结构重构。
[0021]本专利技术的优点和积极效果是：
[0022]本专利技术利用生物穿透
‑
化学改性/热解
‑
物理负载的过程制造并重构生物炭的孔隙结构，制备出一种孔隙联通、负载均匀，能够利用材料本身特殊结构产生的大比表面积，以及生物炭和水铁矿纳米颗粒协同的芬顿氧化催化能力的生物炭改性制备方法。将本专利技术方法应用对砷和有机污染物吸附和降解，在45小时的处理时间里，砷和亚甲基蓝的去除率始
终高于96％，过程中材料吸附砷达到826mg kg
‑1，降解亚甲基蓝达到32.6mg g
‑1，达到同步去除砷和有机复合污染物的目的，由于生物炭质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种联合生物/化学手段制备的负载水铁矿纳米颗粒生物炭同步去除砷和有机污染物的方法，其特征在于：具体工艺方法步骤如下：(1)原始生物质材料前处理与混合：取如下质量份数的各组分：棉籽壳70份，玉米芯5份，玉米秸秆10份，麦麸8份，豆粕5份，白灰2份，粉碎过20目筛，均匀混合，加水调至含水率65％，置于带气体交换小孔的长方形塑料半密闭容器内，压实，在温度97
‑
100℃下，高压灭菌20
‑
30分钟后，调节含水率为50
‑
65％；(2)菌丝接种和管理：用打孔棒均匀地在步骤(1)得到的原始生物质材料上打直径为1.3
‑
1.5cm、深1.8～2.4cm的接种孔，将约2cm3的菌丝团簇体塞入接种孔，使接种孔与菌丝团簇密切吻合，在室温和无菌条件下完成糙皮侧耳菌丝接种，接种后控制温度为23
‑
28℃，湿度72
‑
80％，经过12
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18天的培养，菌丝可长满容器，此时，在长方形塑料半密闭容器开口，使真菌菌丝进一步生长；(3)多孔农业废弃物的获取：待菌丝生长4
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8个月收取多孔农业废弃物，经干燥、破碎之后，再过60目筛备用；(4)化学改性优化多孔农业废弃物孔隙结构：将80
‑
120g干燥好的多孔农业废弃物浸泡于500mL浓度为0.8
‑
1.2mol
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【专利技术属性】
技术研发人员：马杰，王智巧，翁莉萍，陈雅丽，
申请(专利权)人：农业农村部环境保护科研监测所，
类型：发明
国别省市：