一种向日葵花盘基环境修复材料、制备及应用的制作方法

本发明涉及一种去除水体、土壤环境中重金属离子和有机污染物的向日葵花盘基环境修复材料、制备及应用，属于环境修复领域。

背景技术：

近年来，我国重金属污染日益严重，重金属污染是指由重金属及其化合物引起的环境污染。重金属污染物在环境中难以降解，能在动物和植物体内积累，通过食物链逐步富集，浓度能成千成万甚至成百万倍地增加，最后进入人体造成危害。重金属污染对人群健康的危害是多方面、多层次的，其毒理作用表现为：造成生殖障碍、影响胎儿正常发育、威胁儿童和成人身体健康等，最终降低人口身体素质、阻碍人口的可持续发展。近年来，我国土壤重金属污染事件频发，不仅对耕地与农产品质量构成严重威胁，还直接损害了民众身体健康，影响社会稳定。重金属污染是我国主要的土壤环境污染问题。我国受镉、砷、汞、铜、锌等重金属污染的耕地约有1.5亿亩，每年因重金属污染(如“镉米”、“砷米”等)的粮食达1000多万吨，造成的直接经济损失200余亿元。另外，我国的水体和土壤受到有机污染形势也十分严峻。有机物对环境的污染和对人体危害是潜在而巨大的，特别是POPs由于其污染源广、难以降解、易于积蓄，要真正解决其带来的问题，决非易事。我们除了加强对重金属和有机污染物的使用、排放控制以外，还要加强如何去除水中和土壤的有机物污染和重金属以保护人群的健康。

人们一直在找寻能够解决重金属和有机物污染的方法，活性炭近年被广泛的应用于处理重金属和有机物污染。活性炭因其具有发达的孔隙结构、高比表面积、高表面活性和多样的表面化学性质而成为广泛使用的高效吸附剂。制作活性炭原料可以是煤、木材、果壳等。在当前资源紧缺、能源吃紧、环境恶化的情况下，资源的循环与清洁利用促使活性炭生产采用的原料向废物再利用方向倾斜。目前普遍认为果壳是制备活性炭的最佳原料，但我国果壳资源十分有限，且不易集中、贮存，价格昂贵。近年来，国内外对各种价格较低、来源广泛的废弃物相继进行了制备活性炭的试验。但是由废弃物制得的活性炭实际应用还较少，然而因其价格低廉、含碳率高、材料易得、原料充足且绿色无毒而日益受到青睐。

将活性炭应用于环境修复，其吸附性能、吸附成效已近年来环境工作者十分关注的科学问题。活性炭具有丰富的内部微孔结构；其表面具有各种官能团。因此活性炭对水相中的有机物和无机污染物质具有良好的吸附性能。大量研究表明，活性炭对有机污染物的吸附能力远远强于单位有机碳质量的其它形式天然有机质，其可以高效地吸附固定多种有毒有机污染物。而且土壤中添加少量的活性炭即可使有机污染物的吸附容量大大增强，土壤对有机物的吸附作用即由活性炭所主导。因此活性炭被认为是有机污染物的超强吸附剂，可以影响环境中有机污染物的迁移转化和生物有效性。活性炭对有机污染物的吸附可以简单地理解为有机污染物在活性炭上的积累和汇集过程，并且伴随着有机污染物在土壤/沉积物上吸附机理研究的不断深入和扩展而逐渐被深刻理解。目前国内外学术界普遍认为两者的吸附机理有很多相近之处，但是其吸附机理因活性炭独特而复杂的理化性质而变得错综复杂，吸附过程往往受到多种作用机制驱动。大体而言，活性炭对有机污染物的吸附机制主要包括分配作用和表面吸附作用，同时也包括其它一些微观吸附机制。活性炭作为一种新型环境功能材料，研究表明了活性炭在重金属污染物治理与修复上有着巨大潜力，具有很大的研究空间和应用前景。有效地利用废弃物生产活性炭，不仅可节约资源且有利于保护生态环境。国内外相继开发了化学活化法、物理活化法、化学物理法、催化活化法、超临界技术等方法制备活性炭，但是这些方法制备活性炭的工艺较为复杂，因此，人们期待更简易的制备工艺和拥有良好效果的制备方法。

技术实现要素：

在废弃物活性炭应用方面，根据吸附质的特征采用合适的活性炭及低成本制备方法是具有实际应用的主要意义。向日葵作为我国重要的油料作物，种植面积广泛，其种子用作榨油。全球向日葵种植面积为3.9万亩，葵花籽产量为2400万吨。我国种植地区主要分布于黄河以北的省份，如内蒙古、新疆、东北三省、山西、陕西、甘肃、宁夏等省、区。我国向日葵面积为1696.35万亩，总产为194.6万吨。由于向日葵的用途广泛，随之产生的向日葵花盘作为一种农业废弃物，如何合理地对它进行处置并用于环境治理成为人们关心的环境问题。

向日葵花盘里含有粗蛋白7％-9％、粗脂肪6.5％-10.5％、粗纤维17.1％、无氮浸出物43.9％、粗淀粉40％-48.9％、果胶2.4％-3％、灰粉10％。向日葵花盘结构疏松，比表面积大而且特有的几何形态和结构特性，使其成为制备活性炭的优质天然原料。用向日葵花盘这种生物废弃物为原料制备活性炭，不仅解决了生物质处置的难题，也使生物质得到了重新利用，有很高的资源回收价值。

本发明的目的是提供一种去除水体、土壤环境中重金属离子和有机污染物的向日葵花盘基环境修复材料、制备及应用。

本发明的技术构思是：为了获得新型廉价高效的环境修复材料，同时也为了使向日葵花盘这种有机废弃物得以有效地回收利用，将这些废弃物料制备成多孔生物质炭以达到高效吸附环境中重金属和有机污染物的目的，研究其制备方法和使用条件，以获得新型廉价高效的环境修复材料。

实现本发明目的的技术解决方案是：

一种向日葵花盘基环境修复材料，所述材料的制备是采用微波辐射法制备，具体包括以下步骤：

(1)将风干后的向日葵花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体保护下用不同的功率进行微波辐射加热；

(2)微波辐射加热一段时间后，降至室温并取出研磨，即得到向日葵花盘环境修复材料。

所述微波功率为200～2000W。

所述研磨时间为1-200分钟，所述微波辐射加热时间为1-80分钟。

本发明所述的向日葵花盘基环境修复材料用于吸附废水中的重金属或/和有机污染物，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将制备的环境修复材料投加到装有重金属或/和有机污染物的废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:100-90000；

(2)将容器置于恒温振荡器中，恒温震荡0.1-24h，或者直接搅拌0.1-24h即可有效吸附废水中重金属或/和有机污染物。

本发明所述的向日葵花盘基环境修复材料用于吸附土壤中的重金属或/和有机污染物，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将制备的环境修复材料投加到含有重金属或/和有机污染物的土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:1-1:2000；

(2)加水混匀使之成泥浆状，吸附1-144h后，即可去除土壤中的重金属或/和有机污染物。

所述的水及土壤中的重金属污染物为As、Hg、Pb、Cd、Zn、Cu、Ni、Co中的一种或多种以及它们的离子存在形式。所述的有机污染废水及有机污染土壤中的有机污染物为苯酚、多环芳烃、多氯联苯、甲基橙、石油中的一种或多种。

本发明的有益效果：

向日葵花盘环境修复材料具有丰富的内部孔隙结构、比表面积大、吸附能力强、化学稳定性好，具有耐酸、耐碱、耐高温等特点，能够吸附水中或土壤其他方法难以去除的物质。本发明采用简单、快捷的制备方法，选用廉价的生物质为原料，制备出功能较多的活性炭，是一种较有前景的制备环境友好型材料的方法。

附图说明

图1为实施例1中所制备的向日葵花盘基础修复材料的光学图片，(1a)研磨2分钟后的日葵花盘基础修复材料；(1b)是研磨20分钟后的日葵花盘基础修复材料；

图2为实施例1中所制备的日葵花盘基础修复材料的(2a)SEM图和(2b)局部放大图(微波功率为500W，微波辐射加热10分钟，研磨2分钟)；

图3为实施例2中所制备的向日葵花盘基础修复材料的(3a)SEM图和(3b)局部放大图(微波功率为800W，微波辐射加热12分钟，研磨5分钟)；

图4为实施例3中所制备的向日葵花盘基础修复材料的(4a)SEM图和(4b)局部放大图(微波功率为900W，微波辐射加热10分钟，研磨10分钟)

图5为实施例4中所制备的向日葵花盘基础修复材料的SEM图(微波功率为1000W，微波辐射加热12分钟,研磨30分钟)

图6为实施例5中所制备的向日葵花盘基础修复材料的(6a)SEM图和(6b)局部放大图，(微波功率为900W，微波辐射加热15分钟，研磨25分钟)

图7为实施例6中所制备的向日葵花盘基础修复材料的SEM图，(微波功率为1000W，微波辐射加热18分钟,研磨50分钟)

图8为实施例7中所制备的向日葵花盘基础修复材料的(8a)SEM图和(8b)局部放大图，(微波功率为1000W，微波辐射加热29分钟，研磨40分钟)

图9为实施例8中所制备的向日葵花盘基础修复材料的(9a)SEM图和(9b)局部放大图，(微波功率为800W，微波辐射加热8分钟，研磨10分钟)

图10为实施例9中所制备的向日葵花盘基础修复材料的(10a)SEM图和(10b)局部放大图，微波功率为1600W，微波辐射加热8分钟，研磨10分钟)

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：

实施例1

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为500W，微波辐射加热10分钟，降至室温后取出，然后再研磨2或者20分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图1和图2)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:4000，直接搅拌1h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:400；加水混匀使之成泥浆状，吸附72h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例2

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为800W，微波辐射加热12分钟，降至室温后取出，然后再研磨5分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图3)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:5000，将容器置于恒温振荡器中，恒温震荡0.5h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:500；加水混匀使之成泥浆状，吸附72h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例3

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为900W，微波辐射加热10分钟，降至室温后取出，然后再研磨10分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图4)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:5000，将容器置于恒温振荡器中，恒温震荡0.2h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:600；加水混匀使之成泥浆状，经一定时间吸附后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例4

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为1000W，微波辐射加热11分钟，降至室温后取出，然后再研磨30分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图5)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:10000，直接搅拌2h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:900；加水混匀使之成泥浆状，经一定时间吸附后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例5

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为900W，微波辐射加热15分钟，降至室温后取出，然后再研磨25分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图6)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:10000，将容器置于恒温振荡器中，恒温震荡4h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:1000；加水混匀使之成泥浆状，吸附100h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例6

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为1000W，微波辐射加热18分钟，降至室温后取出，然后再研磨50分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图7)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:20000，直接搅拌2h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:1000；加水混匀使之成泥浆状，吸附56h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例7

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为1000W，微波辐射加热29分钟，降至室温后取出，然后再研磨40分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图8)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:20000，将容器置于恒温振荡器中，恒温震荡5h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:800；加水混匀使之成泥浆状，吸附2h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例8

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为800W，微波辐射加热8分钟，降至室温后取出，然后再研磨10分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图9)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:9000，直接搅拌12h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:1500；加水混匀使之成泥浆状，吸附110h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

实施例9

环境修复材料的制备：将风干后花盘倒入瓷舟中压实，在惰性气体的保护下用的微波功率为1600W，微波辐射加热8分钟，降至室温后取出，然后再研磨10分钟，即得到向日葵花盘环境修复材料(图10)。

环境修复材料用于污水中的重金属离子或者(和)有机污染的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到装有重金属或者(和)有机污染废水容器中，材料与废水的质量体积比为1:50000，直接搅拌9h，即可吸附水中重金属或者(和)有机污染物；

环境修复材料用于重金属或者(和)有机污染土壤处理的使用方法包括以下步骤：将制备的环境修复材料投加到含有重金属或者(和)有机污染土壤中，材料与污染土壤的质量比为1:1000；加水混匀使之成泥浆状，吸附136h后，即可去除土壤中的重金属或者(和)有机污染物。

本发明利用一种快速微波法制备向日葵花盘基环境修复材料，向日葵花盘作为一种农业废弃物或者副产物，尚未被开发利用。向日葵花盘容易获取、含碳率高、材料易得、原料充足且绿色无毒。本发明的方法生产工艺简单、经济、环保，制得的活性炭性能稳定、成本较低、吸附性能良好。微波辐射法制备的向日葵花盘环境修复材料外观呈黑色、具有丰富的内部孔隙结构、比表面积大、吸附能力强、化学稳定性好，具有耐酸、耐碱、耐高温等特点，能够吸附水中或土壤其他方法难以去除的有机污染物和重金属。本发明采用简单、快捷的制备方法，选用廉价的生物质为原料，制备出功能较多的环境修复材料，是一种环境友好型的方法制备环境功能材料。目前，利用向日葵花盘制备多孔活性炭材料并用于环境修复的方法与应用尚未见专利和文献报道。