水稻根制备含铁生物炭及其在吸附固化重金属离子中的应用
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本发明涉及一种利用水稻根制得含铁生物炭，并用于重金属离子吸附和固化，从而将重金属离子稳定和无害化的新方法。
(二)
【背景技术】
[0002]生物炭(B1char)是一种类似活性炭的廉价吸附剂，它是由生物原料在缺氧或少氧条件下随着生物油和气体一起产生的炭。生物炭原料广泛、制备工艺相对简单，具备土壤改良能力及稳定的碳汇效果，近年来成为环境研究的热点。同时，生物炭拥有一定的比表面积，它对环境污染物吸附、迀移转化产生影响和改变，环境污染物催化转化的生态效应，以及受污染环境介质的控制和修复等，都逐渐得到了研究和揭示。
(三)
【发明内容】
[0003]生物炭的元素成分，取决于所使用的原料。将外层覆有微生物代谢形成的含铁胶膜的水稻根系进行烧制，可以得到含铁的生物炭(Fe-B1char)。含铁生物炭可用于吸附固化重金属离子。
[0004]本发明的技术方案是，提供一种水稻根制备含铁生物炭的方法，并利用含铁生物炭吸附固化重金属离子。
[0005]—种水稻根制备含铁生物炭的方法，所述方法包括以下步骤:
[0006](1)将水稻根清洗、烘干、剪碎后，进行预炭化处理:在250?400°C温度下恒温煅烧2?4小时，自然冷却后，得到预炭化的样品；
[0007](2)预炭化后的样品在氮气保护下，500?900°C温度下恒温煅烧2?4小时，自然冷却后取出，制得所述含铁生物炭。
[0008]所述步骤(1)中，预炭化处理时的升温速率优选5?15°C /min。
[0009]所述步骤(1)优选在马弗炉内，空气氛围下进行煅烧。
[0010]所述步骤(2)中，升温速率优选5?15°C /min。
[0011]所述步骤(2)优选在管式炉内进行煅烧。
[0012]所述步骤⑵中，煅烧温度优选700?800 V。
[0013]本发明制得的含铁生物炭可用于吸附固化重金属离子。所述重金属离子为Cr3+、Cu2+、Ni\ Cd2+或Zn 2+中的一种或两种以上。
[0014]进一步，所述应用的方法为:将含铁生物炭装填为吸附柱，含有重金属离子的废水通过吸附柱得到净化处理，废水中的重金属离子被截留于吸附柱，然后将柱中吸附有重金属离子的含铁生物炭干燥后进行高温氧化焚烧，得到固化产物，所述固化产物中包括铁氧体复合物和/或硅酸盐化合物，含铁生物炭所吸附的重金属离子固化于铁氧体复合物和/或硅酸盐化合物中。
[0015]所述高温氧化焚烧，一般在800°C?1200°C温度下，空气气氛下氧化焚烧。
[0016]更优选高温氧化焚烧的温度为1000°C?1200°C。
[0017]更进一步，优选将柱中吸附有重金属离子的含铁生物炭与少量氢氧化钙混合，干燥后在1000°C?1200°C温度下，空气气氛下氧化焚烧，得到固化产物。所述氢氧化钙的质量用量与含铁生物炭的质量之比一般为0.1?0.2:1。
[0018]本发明将吸附有重金属离子的含铁生物炭氧化焚烧，高温下可以形成稳定的铁氧体复合物或硅酸盐化合物，两者均不溶于酸、碱、盐，从而达到固化重金属的目的。
[0019]本发明研究表明，在水稻根制备含铁活性炭的过程中，铁元素被还原，嵌入炭的晶体结构中，得到的含铁生物炭的化学构成为FeC3。将含铁生物炭(Fe-B1char)用于吸附重金属离子并在800°C氧化后，重金属离子与铁的氧化物复合，形成铁氧体复合物，重金属离子进入铁氧体复合物的晶格中被固化和稳定化。提高氧化焚烧温度达到1000°C?1200°C，铁氧体可进一步与生物炭中的Si02反应，生成硅酸盐化合物，提高了固化产物的稳定性。另夕卜，氧化焚烧时加入氢氧化钙，在1000 °C?1200 °C温度下可以得到含钙硅酸盐，对重金属离子的固化效果更佳。
[0020]铁氧体复合物和硅酸盐化合物不溶于水，也不溶于酸、碱、盐溶液，有良好的稳定性，两者均为重金属离子无害化处置的优先方法。
[0021]本法使用的水稻根原料为农业废弃物，从未得到利用，来源广泛且资源量巨大。水稻根表面的含铁胶膜来自于水稻生长过程中复杂的根际微生物代谢，是土壤铁元素向水稻根系的生物富集；水稻根中含有的硅酸也是来自于生物吸收。本申请对水稻根所含有的铁元素、硅元素进行利用，制备含铁生物炭，并首次用于固化吸附重金属离子，避免了采矿、冶炼、化学制备等一系列高能耗、高物耗的过程，是一项绿色节能的环境友好新技术。方法整体上工艺简单、经济环保，易于规模化生产，具有良好的应用前景。
(四)
【附图说明】
[0022]图1实施例1所制得的含铁生物炭XRD衍射图。
[0023]图2实施例1的含铁生物炭吸附铬离子后，氧化焚烧得到的固化产物的XRD衍射图。
[0024]图3实施例2所制得固化产物的XRD衍射图。
(五)
【具体实施方式】
[0025]下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此:
[0026]实施例1
[0027]10.00g水稻根洗净，烘干，剪碎后置于坩祸内；在马弗炉内进行预炭化处理，空气气氛，升温速率5°C /min，升温至250°C下恒温煅烧4小时，待自然冷却后取出，得到预炭化后的样品4.60g ;预炭化后的样品置入瓷舟，在管式炉内以氮气保护升温(速率5°C /min)，升至700°C下恒温进行煅烧4小时，待自然冷却后取出，得到含铁生物炭粉末2.30go含铁生物炭的XRD图见图1，图1可以看出产物中主要含有FeC3、C和Si02三种物质。
[0028]用实施例1所得的含铁生物炭材料进行重金属吸附实验。
[0029]将所得含铁生物炭进行铬离子的柱吸附，取2g的生物炭装填为吸附柱，用10mg/L的铬离子Cr3+溶液过柱，收集滤出液，每lOmin换一个取样容器，用原子吸收分光光度计检测重金属离子浓度。计算饱和吸附容量。吸附过程动态测定结果表明，含铁生物炭对铬离子的饱和吸附量为0.606mg/g生物炭。将吸附完毕的炭粉直接放入瓷舟内，置于管式炉中，先升温烘干，然后在800°C下，空气氛围下氧化燃烧4小时，得到固化产物。固化产物的XRD图见图2，与标准卡对照，固化产物主要有三种物质:石英Si02、氧化铁和铬铁氧体(Cr0.4Fe0.6) 203。因此所得到的固化产物为铁氧体复合物。
[0030]用美国环境保护局(USEPA)方法1312 (SPLP)对固化产物进行浸出测试。结果表明，络离子浸出浓度2.233mg/L，低于规定标准值5mg/L。
[0031]实施例2
[0032]10.00g水稻根洗净，烘干，剪碎后置于坩祸内；在马弗炉内进行预炭化处理，空气气氛，升温速率5°C /min升温至250°C下恒温煅烧4小时，待自然冷却后取出，得到预炭化后的样品4.60g ;预炭化后的样品置入瓷舟，在管式炉内以氮气保护升温(速率5°C /min)，升至800°C下恒温进行煅烧3小时，待自然冷却后取出，得到含铁生物炭2.46go
[0033]将所得含铁生物炭进行铬离子的柱吸附，过程与实施例1相同。将石灰(Ca (OH) 2) 0.32g和吸附铬离子之后的湿炭粉均匀混合，放于瓷舟内，置于管式炉中，升温烘干，在1100°C、空气条件下有氧煅烧4小时，得到固化产物。图3为固化产物的XRD图，与标准卡片对照得知，固化产物内有铬铁氧体(CrQ.4Fea6)203和硅酸铬钙Ca 3Cr2 (Si04)3。
[0034]用美国环境保护局(USEPA)方法1312 (SPLP)对固化产物进行浸出测试。结果表明，铬离子浸出浓度0.694mg/L，低于规定标准值5mg/L，也低于实施例1，证明添加石灰并提高煅烧温度可以得到更好的固化效果。
【主权项】
1.一种水稻根制备含铁生物炭的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤: (1)将水稻根清洗、烘干、剪碎后，进行预炭化处理:在250?40(TC温度下恒温煅烧2?4小时，自然冷却后，得到预炭化的样品； (2)预炭化后的样品在氮气保护下，500?900°C温度下恒温煅烧2?4小时，自然冷却后取出，制得所述含铁生物炭。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中，煅烧的温度为700?800°C。3.如权利要求1或2所述的方法制备得到的含铁生物炭。4.如权利要求3所述的含铁生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。5.如权利要求4所述的应用，其特征在于所述应用的方法为:将含铁生物炭装填为吸附柱，含有重金属离子的废水通过吸附柱得到净化处理，废水中的重金属离子被截留于吸附柱，然后将柱中吸附有重金属离子的含铁生物炭干燥后进行高温氧化焚烧，得到固化产物，所述固化产物中包括铁氧体复合物和/或硅酸盐化合物，含铁生物炭所吸附的重金属离子固化于铁氧体复合物和/或硅酸盐化合物中。6.如权利要求5所述的应用，其特征在于所述高温氧化焚烧是在800°C?1200°C温度下，空气气氛下进行氧化焚烧。7.如权利要求6所述的应用，其特征在于所述高温氧化焚烧的温度为1000°C?1200。。。8.如权利要求7所述的应用，其特征在于所述高温氧化焚烧时加入氢氧化钙，然后在1000°C?1200°C的温度下进行氧化焚烧。9.如权利要求4所述的应用，其特征在于所述重金属离子为Cr3+、Cu2+、Ni+、Cd2+或Zn 2+中的一种或两种以上。10.如权利要求9所述的应用，其特征在于所述重金属离子为Cr3+。
【专利摘要】本发明公开了一种水稻根制备含铁生物炭的方法：将水稻根清洗、烘干、剪碎后，在250～400℃温度下恒温煅烧2～4小时，自然冷却后，得到预炭化的样品；预炭化后的样品在氮气保护下，500～900℃温度下恒温煅烧2～4小时，自然冷却后取出，研磨，制得所述含铁生物炭。本发明还公开了所述含铁生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。将含铁生物炭吸附处理重金属离子后，进行高温氧化焚烧，得到固化有重金属离子的固化产物，使重金属离子得到无害化处理。本发明对水稻根所含有铁元素、硅元素进行利用，制备含铁生物炭，并首次用于固化吸附重金属离子，绿色节能环保。
【IPC分类】B01J20/30, C02F101/20, C02F1/28, B01J20/20, C02F101/22
【公开号】CN105396551
【申请号】CN201510934805
【发明人】许炉生, 李许豪, 黄辉, 夏阳, 陶新永, 甘永平, 张文魁
【申请人】浙江工业大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年12月15日