水稻根制備含鐵生物炭及其在吸附固化重金屬離子中的應(yīng)用
【專利說(shuō)明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種利用水稻根制得含鐵生物炭，并用于重金屬離子吸附和固化，從而將重金屬離子穩(wěn)定和無(wú)害化的新方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]生物炭(B1char)是一種類似活性炭的廉價(jià)吸附劑，它是由生物原料在缺氧或少氧條件下隨著生物油和氣體一起產(chǎn)生的炭。生物炭原料廣泛、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，具備土壤改良能力及穩(wěn)定的碳匯效果，近年來(lái)成為環(huán)境研究的熱點(diǎn)。同時(shí)，生物炭擁有一定的比表面積，它對(duì)環(huán)境污染物吸附、迀移轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響和改變，環(huán)境污染物催化轉(zhuǎn)化的生態(tài)效應(yīng)，以及受污染環(huán)境介質(zhì)的控制和修復(fù)等，都逐漸得到了研究和揭示。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]生物炭的元素成分，取決于所使用的原料。將外層覆有微生物代謝形成的含鐵膠膜的水稻根系進(jìn)行燒制，可以得到含鐵的生物炭(Fe-B1char)。含鐵生物炭可用于吸附固化重金屬離子。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是，提供一種水稻根制備含鐵生物炭的方法，并利用含鐵生物炭吸附固化重金屬離子。
[0005]—種水稻根制備含鐵生物炭的方法，所述方法包括以下步驟:
[0006](1)將水稻根清洗、烘干、剪碎后，進(jìn)行預(yù)炭化處理:在250?400°C溫度下恒溫煅燒2?4小時(shí)，自然冷卻后，得到預(yù)炭化的樣品；
[0007](2)預(yù)炭化后的樣品在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，500?900°C溫度下恒溫煅燒2?4小時(shí)，自然冷卻后取出，制得所述含鐵生物炭。
[0008]所述步驟(1)中，預(yù)炭化處理時(shí)的升溫速率優(yōu)選5?15°C /min。
[0009]所述步驟(1)優(yōu)選在馬弗爐內(nèi)，空氣氛圍下進(jìn)行煅燒。
[0010]所述步驟(2)中，升溫速率優(yōu)選5?15°C /min。
[0011]所述步驟(2)優(yōu)選在管式爐內(nèi)進(jìn)行煅燒。
[0012]所述步驟⑵中，煅燒溫度優(yōu)選700?800 V。
[0013]本發(fā)明制得的含鐵生物炭可用于吸附固化重金屬離子。所述重金屬離子為Cr3+、Cu2+、Ni\ Cd2+或Zn 2+中的一種或兩種以上。
[0014]進(jìn)一步，所述應(yīng)用的方法為:將含鐵生物炭裝填為吸附柱，含有重金屬離子的廢水通過(guò)吸附柱得到凈化處理，廢水中的重金屬離子被截留于吸附柱，然后將柱中吸附有重金屬離子的含鐵生物炭干燥后進(jìn)行高溫氧化焚燒，得到固化產(chǎn)物，所述固化產(chǎn)物中包括鐵氧體復(fù)合物和/或硅酸鹽化合物，含鐵生物炭所吸附的重金屬離子固化于鐵氧體復(fù)合物和/或硅酸鹽化合物中。
[0015]所述高溫氧化焚燒，一般在800°C?1200°C溫度下，空氣氣氛下氧化焚燒。
[0016]更優(yōu)選高溫氧化焚燒的溫度為1000°C?1200°C。
[0017]更進(jìn)一步，優(yōu)選將柱中吸附有重金屬離子的含鐵生物炭與少量氫氧化鈣混合，干燥后在1000°C?1200°C溫度下，空氣氣氛下氧化焚燒，得到固化產(chǎn)物。所述氫氧化鈣的質(zhì)量用量與含鐵生物炭的質(zhì)量之比一般為0.1?0.2:1。
[0018]本發(fā)明將吸附有重金屬離子的含鐵生物炭氧化焚燒，高溫下可以形成穩(wěn)定的鐵氧體復(fù)合物或硅酸鹽化合物，兩者均不溶于酸、堿、鹽，從而達(dá)到固化重金屬的目的。
[0019]本發(fā)明研究表明，在水稻根制備含鐵活性炭的過(guò)程中，鐵元素被還原，嵌入炭的晶體結(jié)構(gòu)中，得到的含鐵生物炭的化學(xué)構(gòu)成為FeC3。將含鐵生物炭(Fe-B1char)用于吸附重金屬離子并在800°C氧化后，重金屬離子與鐵的氧化物復(fù)合，形成鐵氧體復(fù)合物，重金屬離子進(jìn)入鐵氧體復(fù)合物的晶格中被固化和穩(wěn)定化。提高氧化焚燒溫度達(dá)到1000°C?1200°C，鐵氧體可進(jìn)一步與生物炭中的Si02反應(yīng)，生成硅酸鹽化合物，提高了固化產(chǎn)物的穩(wěn)定性。另夕卜，氧化焚燒時(shí)加入氫氧化鈣，在1000 °C?1200 °C溫度下可以得到含鈣硅酸鹽，對(duì)重金屬離子的固化效果更佳。
[0020]鐵氧體復(fù)合物和硅酸鹽化合物不溶于水，也不溶于酸、堿、鹽溶液，有良好的穩(wěn)定性，兩者均為重金屬離子無(wú)害化處置的優(yōu)先方法。
[0021]本法使用的水稻根原料為農(nóng)業(yè)廢棄物，從未得到利用，來(lái)源廣泛且資源量巨大。水稻根表面的含鐵膠膜來(lái)自于水稻生長(zhǎng)過(guò)程中復(fù)雜的根際微生物代謝，是土壤鐵元素向水稻根系的生物富集；水稻根中含有的硅酸也是來(lái)自于生物吸收。本申請(qǐng)對(duì)水稻根所含有的鐵元素、硅元素進(jìn)行利用，制備含鐵生物炭，并首次用于固化吸附重金屬離子，避免了采礦、冶煉、化學(xué)制備等一系列高能耗、高物耗的過(guò)程，是一項(xiàng)綠色節(jié)能的環(huán)境友好新技術(shù)。方法整體上工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保，易于規(guī)?；a(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。
(四)
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1實(shí)施例1所制得的含鐵生物炭XRD衍射圖。
[0023]圖2實(shí)施例1的含鐵生物炭吸附鉻離子后，氧化焚燒得到的固化產(chǎn)物的XRD衍射圖。
[0024]圖3實(shí)施例2所制得固化產(chǎn)物的XRD衍射圖。
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此:
[0026]實(shí)施例1
[0027]10.00g水稻根洗凈，烘干，剪碎后置于坩禍內(nèi)；在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)炭化處理，空氣氣氛，升溫速率5°C /min，升溫至250°C下恒溫煅燒4小時(shí)，待自然冷卻后取出，得到預(yù)炭化后的樣品4.60g ;預(yù)炭化后的樣品置入瓷舟，在管式爐內(nèi)以氮?dú)獗Ｗo(hù)升溫(速率5°C /min)，升至700°C下恒溫進(jìn)行煅燒4小時(shí)，待自然冷卻后取出，得到含鐵生物炭粉末2.30go含鐵生物炭的XRD圖見圖1，圖1可以看出產(chǎn)物中主要含有FeC3、C和Si02三種物質(zhì)。
[0028]用實(shí)施例1所得的含鐵生物炭材料進(jìn)行重金屬吸附實(shí)驗(yàn)。
[0029]將所得含鐵生物炭進(jìn)行鉻離子的柱吸附，取2g的生物炭裝填為吸附柱，用10mg/L的鉻離子Cr3+溶液過(guò)柱，收集濾出液，每lOmin換一個(gè)取樣容器，用原子吸收分光光度計(jì)檢測(cè)重金屬離子濃度。計(jì)算飽和吸附容量。吸附過(guò)程動(dòng)態(tài)測(cè)定結(jié)果表明，含鐵生物炭對(duì)鉻離子的飽和吸附量為0.606mg/g生物炭。將吸附完畢的炭粉直接放入瓷舟內(nèi)，置于管式爐中，先升溫烘干，然后在800°C下，空氣氛圍下氧化燃燒4小時(shí)，得到固化產(chǎn)物。固化產(chǎn)物的XRD圖見圖2，與標(biāo)準(zhǔn)卡對(duì)照，固化產(chǎn)物主要有三種物質(zhì):石英Si02、氧化鐵和鉻鐵氧體(Cr0.4Fe0.6) 203。因此所得到的固化產(chǎn)物為鐵氧體復(fù)合物。
[0030]用美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(USEPA)方法1312 (SPLP)對(duì)固化產(chǎn)物進(jìn)行浸出測(cè)試。結(jié)果表明，絡(luò)離子浸出濃度2.233mg/L，低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值5mg/L。
[0031]實(shí)施例2
[0032]10.00g水稻根洗凈，烘干，剪碎后置于坩禍內(nèi)；在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行預(yù)炭化處理，空氣氣氛，升溫速率5°C /min升溫至250°C下恒溫煅燒4小時(shí)，待自然冷卻后取出，得到預(yù)炭化后的樣品4.60g ;預(yù)炭化后的樣品置入瓷舟，在管式爐內(nèi)以氮?dú)獗Ｗo(hù)升溫(速率5°C /min)，升至800°C下恒溫進(jìn)行煅燒3小時(shí)，待自然冷卻后取出，得到含鐵生物炭2.46go
[0033]將所得含鐵生物炭進(jìn)行鉻離子的柱吸附，過(guò)程與實(shí)施例1相同。將石灰(Ca (OH) 2) 0.32g和吸附鉻離子之后的濕炭粉均勻混合，放于瓷舟內(nèi)，置于管式爐中，升溫烘干，在1100°C、空氣條件下有氧煅燒4小時(shí)，得到固化產(chǎn)物。圖3為固化產(chǎn)物的XRD圖，與標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)照得知，固化產(chǎn)物內(nèi)有鉻鐵氧體(CrQ.4Fea6)203和硅酸鉻鈣Ca 3Cr2 (Si04)3。
[0034]用美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(USEPA)方法1312 (SPLP)對(duì)固化產(chǎn)物進(jìn)行浸出測(cè)試。結(jié)果表明，鉻離子浸出濃度0.694mg/L，低于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)值5mg/L，也低于實(shí)施例1，證明添加石灰并提高煅燒溫度可以得到更好的固化效果。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種水稻根制備含鐵生物炭的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟: (1)將水稻根清洗、烘干、剪碎后，進(jìn)行預(yù)炭化處理:在250?40(TC溫度下恒溫煅燒2?4小時(shí)，自然冷卻后，得到預(yù)炭化的樣品； (2)預(yù)炭化后的樣品在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，500?900°C溫度下恒溫煅燒2?4小時(shí)，自然冷卻后取出，制得所述含鐵生物炭。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)中，煅燒的溫度為700?800°C。3.如權(quán)利要求1或2所述的方法制備得到的含鐵生物炭。4.如權(quán)利要求3所述的含鐵生物炭在吸附固化重金屬離子中的應(yīng)用。5.如權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征在于所述應(yīng)用的方法為:將含鐵生物炭裝填為吸附柱，含有重金屬離子的廢水通過(guò)吸附柱得到凈化處理，廢水中的重金屬離子被截留于吸附柱，然后將柱中吸附有重金屬離子的含鐵生物炭干燥后進(jìn)行高溫氧化焚燒，得到固化產(chǎn)物，所述固化產(chǎn)物中包括鐵氧體復(fù)合物和/或硅酸鹽化合物，含鐵生物炭所吸附的重金屬離子固化于鐵氧體復(fù)合物和/或硅酸鹽化合物中。6.如權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于所述高溫氧化焚燒是在800°C?1200°C溫度下，空氣氣氛下進(jìn)行氧化焚燒。7.如權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于所述高溫氧化焚燒的溫度為1000°C?1200。。。8.如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用，其特征在于所述高溫氧化焚燒時(shí)加入氫氧化鈣，然后在1000°C?1200°C的溫度下進(jìn)行氧化焚燒。9.如權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征在于所述重金屬離子為Cr3+、Cu2+、Ni+、Cd2+或Zn 2+中的一種或兩種以上。10.如權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于所述重金屬離子為Cr3+。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水稻根制備含鐵生物炭的方法：將水稻根清洗、烘干、剪碎后，在250～400℃溫度下恒溫煅燒2～4小時(shí)，自然冷卻后，得到預(yù)炭化的樣品；預(yù)炭化后的樣品在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，500～900℃溫度下恒溫煅燒2～4小時(shí)，自然冷卻后取出，研磨，制得所述含鐵生物炭。本發(fā)明還公開了所述含鐵生物炭在吸附固化重金屬離子中的應(yīng)用。將含鐵生物炭吸附處理重金屬離子后，進(jìn)行高溫氧化焚燒，得到固化有重金屬離子的固化產(chǎn)物，使重金屬離子得到無(wú)害化處理。本發(fā)明對(duì)水稻根所含有鐵元素、硅元素進(jìn)行利用，制備含鐵生物炭，并首次用于固化吸附重金屬離子，綠色節(jié)能環(huán)保。
【IPC分類】B01J20/30, C02F101/20, C02F1/28, B01J20/20, C02F101/22
【公開號(hào)】CN105396551
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510934805
【發(fā)明人】許爐生, 李許豪, 黃輝, 夏陽(yáng), 陶新永, 甘永平, 張文魁
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年3月16日
【申請(qǐng)日】2015年12月15日