一种用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法。属于环境修复技术领域。该方法是将前处理后的植物秸秆依次经过酸和碱浸泡，浸泡后烘干至恒重；恒重后的物料在无氧环境中，先升温再降温，降温冷却至室温后，初产物生物碳在活化剂中浸泡，浸泡后烘干，即得目标产物生物碳。该方法制备得到的生物碳对镉具有很好的吸附性能，对修复镉污染土壤具有良好的效果。
【专利说明】
一种用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于环境修复技术领域，具体涉及一种用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法。
【背景技术】
[0002]我国土壤污染状况调查结果显示，2014年遭受金属不同程度污染土地2xl07hm2，占全国总耕面积的20%。我国土壤环境总比不好，部分地区(工矿废弃地)土壤污染严峻。全国土壤总点位超标率是16.1 %，镉、镍、砷、铜、汞、铅、铬、锌8种金属点位超标率为7.0 %、4.8%、2.7%、2.1%、1.6%、1.5%、1.1%、0.9%。所以中国土壤的首要污染物为镉。近年来，随着社会飞速发展，特别是镉(Cd)、铅(Pb)的污染日益严重，已然成为亟待解决的环境问题。
[0003]我国年产秸杆8亿吨以上。除用于畜牧饲料、工业原料和直接燃烧用于炊事外，还有大量的剩余。未利用的农作物秸杆废弃于田间、地头，不仅占用大量土地，浪费资源，造成环境严重污染，如果直接焚烧，也会造成严重的环境污染，因此农作物秸杆资源的有效利用，不仅能节约大量的矿物燃料，而且能有效减少温室气体的排放，降低大气污染，保护生态环境。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明充分利用废弃的农作物秸杆，获得了有效降低土壤中镉污染的改性生物炭，该材料性能稳定，能保持长期的有效性，可用于修复镉污染土壤。
[0005]—种用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0006](I)将前处理后的植物秸杆经酸或碱浸泡24?48h，浸泡后烘干至恒重；
[0007](2)恒重后的物料在无氧环境中，以5?15°C/min的升温速率进行升温，至温度为800?900 °C，保温0.5?3h;保温后以5?15°C/min的降温温速率进行降温，至温度为450?550 °C，之后自然冷却至室温；
[0008](3)冷却至室温后，收集得到初产物生物碳，将初产物生物碳在活化剂中浸泡，浸泡后烘干，即得目标产物生物碳。
[0009]本发明技术方案的步骤(I)中前处理步骤为秸杆经晾干后破碎至I?5cm。
[0010]本发明技术方案的步骤(I)中的所述的酸为磷酸，所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。在一些优选的技术方案中:所述的酸的质量浓度为25-35%，碱的质量浓度为20-30%。[0011 ]本发明技术方案的步骤(3)中活化剂是质量浓度为10-25 %的磷酸和硝酸中的至少一种。优选步骤(3)中活化剂与初产物生物碳的质量比为1:2-5。
[0012]本发明技术方案的步骤(3)中浸泡的温度为600-800°C，浸泡的时间为60_90min。
[0013]本发明技术方案中所述的植物稻杆为水稻稻杆、小麦稻杆、玉米稻杆和油菜稻杆中的至少一种。
[0014]本发明还提供了一种利用上述制备得到的生物碳用于修复土壤的方法，该方法是将生物炭按照100?150kg/亩添加到镉污染土壤中，且将生物炭与镉污染土壤表层充分混合均匀，混匀后种植植物，便可得到修复后的土壤。本发明技术方案对种植的植物没有特殊说明，包括但不限于为水稻、小麦、玉米和油菜。
[0015]本发明的有益效果:
[0016]本发明对镉具有很好的吸附性能，对修复镉污染土壤具有良好的效果。
【附图说明】
[0017]图1为实施例1制备得到的生物炭红外光谱图；
[0018]图2为实施例1制备得到的生物炭电镜扫描图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合实例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此:
[0020]实施例1
[0021]将晾干、破碎至I?2cm的水稻秸杆在质量浓度为25%的磷酸中浸泡24h，浸泡后烘干至恒重，恒重后放置于立式真空管式炉中加热段，具体步骤如下:先通高纯氮气、二氧化碳将炉内造成一个无氧环境，以5°C/min的升温速率进行升温，至温度为800°C，保温Ih;保温后以10°C/min的降温温速率进行降温，至温度为450°C，之后自然冷却至室温。冷却至室温后，收集得到初产物生物碳，所得初产物生物炭孔隙度为0.35cm3/g。将得到的初产物生物碳在质量浓度为25%的磷酸中浸泡，质量浓度为25%的磷酸与初产物生物碳的质量比为1:2，浸泡的时间为60min，浸泡的温度为600°C，浸泡后烘干，即得目标产物生物碳。
[0022]实施例2
[0023]将晾干、破碎至3?4cm的油菜秸杆在质量浓度为30%的氢氧化钠中浸泡36h，浸泡后烘干至恒重，恒重后放置于立式真空管式炉中加热段，具体步骤如下:先通高纯氮气、二氧化碳将炉内造成一个无氧环境，以10°C/min的升温速率进行升温，至温度为850°C，保温1.5h;保温后以5°C/min的降温温速率进行降温，至温度为500°C，之后自然冷却至室温。冷却至室温后，收集得到初产物生物碳，所得初产物生物炭孔隙度为0.39cm3/g。将得到的初产物生物碳在质量浓度为10%的硝酸中浸泡，质量浓度为10%的硝酸与初产物生物碳的质量比为1:3，浸泡的时间为75min，浸泡的温度为700°C，浸泡后烘干，即得目标产物生物碳。
[0024]实施例3
[0025]将晾干、破碎至4?5cm的玉米秸杆在质量浓度为35%的磷酸中浸泡48h，浸泡后烘干至恒重，恒重后放置于立式真空管式炉中加热段，具体步骤如下:先通高纯氮气、二氧化碳将炉内造成一个无氧环境，以15°C/min的升温速率进行升温，至温度为900°C，保温3h;保温后以15°C/min的降温温速率进行降温，至温度为450°C，之后自然冷却至室温。冷却至室温后，收集得到初产物生物碳，所得初产物生物炭孔隙度为0.49cm3/g。将得到的初产物生物碳在质量浓度为22%的硝酸中浸泡，质量浓度为22%的硝酸与初产物生物碳的质量比为1:5，浸泡的时间为90min，浸泡的温度为800°C，浸泡后烘干，即得目标产物生物碳。
[0026]性能检测
[0027]实施例1制备得到的生物炭在土壤治理中的应用:
[0028]江苏省某地区污染农田土壤的镉为0.9 m g / k g，超过《土壤环境质量标准》(GBl 5618-1995) 二级标准(0.3mg/kg)的三倍，属于中度污染。将实施例1制得的生物炭按照150KG/亩添加到污染土壤，并与表层土壤(15?30cm)充分混匀后，15天后正常种植水稻。经过180天的修复，与不施加生物炭相比，土壤中有效态镉含量降低45%，农作物籽粒镉含量降低35%，且低于《食品安全国家标准》(GB 2762-2012)食品中镉限量指标(0.2mg.kg_l)。修复效果显著。
[0029]实施例2制备得到的生物炭在土壤治理中的应用:
[0030]在污染土壤镉含量为0.6mg/kg的农田，将利用实施例2制得的生物炭按照每亩100KG/亩添加，并将生物炭与表层土壤(15?30cm)充分混勾，经15天后种植水稻，水稻收获后，所测得水稻籽粒镉含量为0.1 lmg/kg，土壤有效态镉由18yg/kg降低到6yg/kg，土壤有效态镉降低效果显著。
[0031 ]实施例3制备得到的生物炭在土壤治理中的应用:
[0032]江苏省某地区污染农田土壤的镉为0.1 2mg/kg，超过《土壤环境质量标准》(GB15618-1995) 二级标准(0.3mg/kg)的4倍。将实施例3制得的生物炭按照150KG/亩添加到污染土壤，并与表层土壤(I5?30cm)充分混勾后，15天后正常种植水稻。经过180天的修复，与不施加生物炭相比，土壤中有效态镉含量降低48%，农作物籽粒镉含量降低42%，且低于《食品安全国家标准》(GB 2762-2012)食品中镉限量指标(0.2mg.kg_l)。修复效果显著。
【主权项】
1.一种用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:该方法包括以下步骤: (1)将前处理后的植物秸杆经酸或碱浸泡24?48h，浸泡后烘干至恒重； (2)恒重后的物料在无氧环境中，以5?15°C/min的升温速率进行升温，至温度为800?9000C，保温0.5?3h；保温后以5?15°C/min的降温速率进行降温，至温度为450?550°C ；之后自然冷却至室温； (3)冷却至室温后，收集得到初产物生物碳，将初产物生物碳在活化剂中浸泡，浸泡后烘干，即得目标产物生物碳。2.根据权利要求1所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:步骤(I)中的前处理的步骤为稻杆经瞭干后破碎至I?5cm。3.根据权利要求1所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:步骤(I)中的所述的酸为磷酸，所述的碱为氢氧化钠或氢氧化钾。4.根据权利要求3所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:所述的酸的质量浓度为25-35%，碱的质量浓度为20-30%。5.根据权利要求1所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:步骤(3)中活化剂为质量浓度为10-25%的磷酸和硝酸中的至少一种。6.根据权利要求5所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:步骤(3)中活化剂与初产物生物碳的质量比为1:2-5。7.根据权利要求1所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:步骤(3)中浸泡的温度为600-800 0C，浸泡的时间为60-90min。8.根据权利要求1所述的用于修复镉污染土壤的生物炭的制备方法，其特征在于:步骤(I)中的植物稻杆为水稻稻杆、小麦稻杆、玉米稻杆和油菜稻杆中的至少一种。9.一种利用权利要求1制备得到的生物碳用于修复土壤的方法，其特征在于:该方法是将生物炭按照100?150kg/亩添加到镉污染土壤中，且将生物炭与镉污染土壤表层充分混合均匀，混匀后种植植物，便可得到修复后的土壤。
【文档编号】C09K17/04GK106076254SQ201610474930
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】赵坤, 张亚平, 顾东青, 赵婕, 徐海涛
【申请人】南京宇行环保科技有限公司