利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法
【专利摘要】本发明公开了利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，以水生植物空心莲子草或水葫芦为原料制备成生物炭，再以1～20g/L的投加量加入到铅污染水体中，吸附去除铅。该方法制备的生物炭来源丰富、制备方法简便、并能高效去除水体中铅，具有较大的经济、社会、生态效益。
【专利说明】利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法
【技术领域】
[0001]本发明环境工程【技术领域】，具体涉及利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法。
【背景技术】
[0002]废水中的金属离子如铅、锌、镍等离子等对人体健康有毒害作用。我国许多工厂每年都排出大量的低浓度铅污染废水，有许多未经妥善处理即泄入江河，给环境带来极大的危害，这已引起了人们的高度重视。对铅离子的去除方法很多，如沉淀法、离子交换法、膜分离方法、吸附法等。吸附法由于占地面积小、操作简单、无二次污染等优点，特别适用于处理低污染重金属废水。目前，最常用作吸附剂的材料为活性炭和生物吸附剂。但是，活性炭价格昂贵，不适于处理大范围的铅污染水体。而生物吸附剂虽然成本较低，但对重金属废水的治理效果较差，因此，寻去成本低廉、吸附效果好的吸附剂就很关键。
[0003]生物炭(biochar)是富含碳的生物质通过热裂解的方法在缺氧或者少氧的条件下制备而成的一种富有孔隙结构、含碳量高的碳化物质。生物炭属于广义概念上黑炭(black carbon)的一种类型。其制备原料来源广泛，农林业废弃物如木材、稻杆、果壳及工业和城市生活中产生的有机废弃物如垃圾、污泥都可以作为原料。生物炭具有疏松多孔的结构，比表面积巨大，生物炭表面带有大量负电荷和较高的电荷密度，有利于吸附水体和土壤中的有机污染物及重金属。生物炭具有的高度芳香化结构，使其与其他任何形式的有机碳相比具有更高的生物化学和热稳定性，不易被矿化，可长期保存于环境和古沉积物中，被认为是稳定的CO2储库。因此，介于生物炭原料来源丰富广泛、制备方法简单、成本低廉、对有机污染物及重金属吸附能力强等优点，生物炭近些年受到越来越多的关注及研究。
[0004]水生植物如空心莲子草、水花生等，生命力强，适应性广，生长繁殖迅速，成为堵塞渠港、侵占耕地和水面的恶性水草。水生植物空心莲子草的茎段曝晒I?2天仍能存活；未经腐熟或未被家畜消化的茎段进入农田后会造成再次危害。而人工防除的方法不仅不能防除空心莲子草，反而会加重空心莲子草的蔓延和扩散。与传统的水生植物处理方法(现场焚烧或农药去除等)相比，将水生植物制备成生物炭，方法简单易行，原材料产量巨大。生物炭不仅可以用来吸附水体和土壤中污染物质，还可以用来改良土壤、缓解温室效应，实现了水生植物的资源化利用，具有较大的经济、社会及生态效益。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题，在于将水生植物资源化利用，制备成生物炭后高效处理废水中的铅。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0007]利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，以水生植物空心莲子草或水葫芦为原料制备成生物炭，再以I?20g/L的投加量加入到铅污染水体中，吸附去除铅。
[0008]其中，所述的生物炭按如下步骤制备得到:[0009](I)原材料的准备:采集水生植物空心莲子草或水葫芦，洗净、风干、剪碎；
[0010](2)生物炭的制备:将剪碎的水生植物300?700°C限氧热解I?4小时，随后过筛、清洗、烘干、保存，制得水生植物生物炭。
[0011]步骤(I)中，剪碎成2?5cm小段,优选2?3cm小段。
[0012]步骤(2)中，过筛时先后过18目筛和35目筛，只保留直径在0.5?Imm之间的生物炭。
[0013]步骤(2)，优选将剪碎的水生植物压实，550?650°C限氧热解1.5?2.5小时。
[0014]步骤(2)中，烘干温度优选60?80°C。
[0015]其中，投加量优选9?llg/L。
[0016]其中，铅污染水体在投加生物炭之前，污染水体中铅的浓度控制在100?IOOOmg/
L0
[0017]其中，铅污染水体在投加生物炭之前，污染水体的pH值控制在2?8，优选4.5?
6.5o
[0018]其中，投加生物炭后，反应Imin?24h，2?24h。
[0019]其中，优选以水生植物空心莲子草为原料制备成生物炭。
[0020]有益效果:本发明具有以下显著特点及效果:
[0021]1.制备生物炭的原材料来源广、成本低廉，制备方法简单易行。
[0022]2.将水生植制备成生物炭后，不仅可以减轻其对生态环境的破坏，而且还可以吸附水体污染物，实现了水生植物的资源化利用。
[0023]3.水生植物生物炭对铅的吸附效果显著，远高于其他吸附剂。而且方便回收，不会
产生二次污染。
[0024]4.本方法制备的水生植物生物炭不仅可以去除铅，对其他有机污染物也有一定的去除能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1工艺流程图；
[0026]图2空心莲子草生物炭SEM图；
[0027]图3铅溶液浓度变化对空心莲子草及水葫芦生物炭吸附量的影响；
[0028]图4不同接触时间对空心莲子草生物炭吸附量的影响；
[0029]图5不同初始pH对空心莲子草生物炭吸附量的影响；
[0030]图6空心莲子草生物炭投加量对生物炭吸附量的影响。
【具体实施方式】
[0031]根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
[0032]实施例1:
[0033]将水生植物空心莲子草洗净后自然风干，随后剪成2cm左右小段。
[0034]将水生植物置于电炉中300°C限氧热解2h，自然冷却至室温后取出。过18目筛和35目筛，只保留直径在0.5?Imm之间的生物炭，用超纯水洗净，放于烘箱中60°C烘干，制得生物炭。
[0035]制得的生物炭，按投加量3g/L，对pH为5的铅溶液进行吸附，反应时间为24小时。
[0036]混合液过0.22 μ m滤膜，过滤液加酸后测定滤液中重金属含量。
[0037]本实施例得到的生物炭产率为47.1%。对铅的吸附量为223.30mg/g,对700mg/L的铅溶液去除率超过95%。
[0038]实施例2:
[0039]其他条件不变，将实施例1中的热解温度改为600°C，以同样方法制备水葫芦生物炭进行吸附实验。
[0040]本实施例得到的空心莲子草生物炭产率为29.8%，如图3所示，铅浓度为500ppm时，生物炭对铅的吸附量为206.19mg/g，并且随着铅浓度的增加，生物炭的吸附量继续增大。对100mg/L的铅溶液去除率为99%。对50mg/L的铅溶液去除率在99%以上，基本完全去除，达到一级排放标准。本实施例得到的水葫芦生物炭产率为33.7%，铅浓度为500ppm时，生物炭对铅的吸附量为117.35mg/g。对IOOppm的铅溶液去除率为99%。对50mg/来的铅溶液去除率在99%以上，基本完全去除铅，达到一级排放标准。
[0041]实施例3:
[0042]其他条件不变，将实施例2中的吸附时间改为lmin_24h，溶液浓度为600ppm。
[0043]本实施例得到的空心莲子草生物炭，在不同时间对铅的吸附量结果如图4所示:在初始阶段，生物炭对铅的吸附量随时间的增加而急剧上升，在反应15min时，吸附量便达到平衡吸附量的80%，随后上升趋势趋于平缓，在6h时，基本都达到吸附平衡，在600ppm溶液中，其平衡吸附量为205.4mg/g，与实施例1中的结果吻合。
[0044]实施例4:
[0045]其他条件不变，将实施例3中的铅溶液初始pH调节为分别调节为2-8。
[0046]本实施例得到的空心莲子草生物炭，对铅的吸附量结果如图5所示:在铅溶液浓度为600ppm，投加量为2.5g/L时，pH值的变化对生物炭的吸附量会有影响。在pH值为5时，生物炭对铅的吸附量最大，可达225.34mg/g。pH〈5时，吸附量随pH增大而增大，pH>5时，吸附量随pH值增大而减小。因此，在此条件下进行铅吸附时，铅溶液最佳pH为5。
[0047]实施例5:
[0048]其他条件不变，将实施例2中的生物炭投加量改为I?10g/L，溶液中Pb2+初始浓度为 800ppm。
[0049]生物炭对铅的吸附量随生物炭投加量的变化而变化，如图6所示:生物炭投加量在3.5g/L以下时，生物炭投加量越多，对铅的吸附量越大，投加量在3.5g/L以上时，生物炭的吸附量基本达到饱和，因此，理论上生物炭的最佳投加量为3.5g/L。溶液中Pb2+初始浓度为800ppm，生物炭投加量为4g/L，去除率为98.2%，则生物炭对Pb2+的吸附量为226.3mg/g，与实施例1的结果基本一致。
[0050]实施例6:
[0051]其他条件不变，将实施例2中的热解时间改为3h，溶液溶液中Pb2+初始浓度为IOOOppm,生物炭投加量为4g/L。
[0052]本实施例得到的生物炭产率为39%，对铅的吸附量为251.07mg/g,对1000mg/L的铅溶液去除率为99%，基本完全去除，达到一级排放标准。
【权利要求】
1.利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，以水生植物空心莲子草或水葫芦为原料制备成生物炭，再以I?20g/L的投加量加入到铅污染水体中，吸附去除铅。
2.根据权利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，所述的生物炭按如下步骤制备得到: (O原材料的准备:采集水生植物空心莲子草或水葫芦，洗净、风干、剪碎； (2)生物炭的制备:将剪碎的水生植物300?700°C热解I?4小时，随后过筛、清洗、烘干、保存，制得水生植物生物炭。
3.根据权利要求2所述的利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，步骤(I)中，剪碎成2?5cm小段。
4.根据权利要求2所述的利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，步骤(2)中，过筛时先后过18目筛和35目筛，只保留直径在0.5?Imm之间的生物炭。
5.根据权利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，铅污染水体在投加生物炭之前，污染水体中铅的浓度控制在100?1000mg/L。
6.根据权利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，铅污染水体在投加生物炭之前，污染水体的pH值控制在2?8。
7.根据权利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水体中铅的方法，其特征在于，投加生物炭后，反应Imin?24h。
【文档编号】B01J20/30GK103801262SQ201410091590
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】肖 琳, 杨玉, 杨柳燕, 张小龙 申请人:南京大学