一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法与流程

一、本发明属于土壤修复功能材料，具体涉及一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法。

背景技术：

0、二、背景技术

1、随着我国工业化和城镇化步伐的加快，越来越多的城镇污水处理厂建成投入使用，城镇水环境治理得到显著改善。与此同时，城镇污水处理厂在运行过程中不可避免地产生了大量的污水污泥，截至目前，我国每年污水污泥产量高达5500万吨，如何妥善处置污水污泥已经成为当前污水处理厂所面临的主要问题之一。目前污水污泥的主要处理方式为填埋、焚烧、堆肥、厌氧消化等，普遍存在着占地面积大、处理成本高、资源化利用率低、会造成二次污染等问题。因此，如何将其资源化、无害化高效回收利用，从而达到节能减排和发展循环经济的目的一直是研究热点，而利用污水污泥制备土壤修复功能材料是一个很好的资源化利用途径。

2、污水污泥的成分较为复杂，相比于传统的土壤修复剂原材料(比如农作物、餐厨垃圾、藻类物质等)含碳量相对较低，此外还含有一些矿物质杂质，若采用传统的“一锅法”将其制成土壤修复材料，其品质和性能较市面上的土壤修复剂还有一定的差距。因此有必要采用适当的方法对污水污泥进行一系列改性处理，使其对受污染土壤拥有更好的修复效果。在制备的过程中掺杂转炉钢渣和铁盐不仅能够使该土壤修复功能材料富含铁元素，从而提供更多的活性点位，提升对重金属和有机污染物的吸附与降解能力，而且还能为受污染土壤带来大量养分，改善土壤生境，为后续重建生态提供适宜条件；在高温热解前先进行水热活化，能够减少活化剂与活化时间，有效减少材料表面的矿物成分，显著提高炭含量；用碳酸氢氨浸渍后再高温热解使材料的比表面积和孔隙率大幅度提升，进一步加强其对目标污染物的吸附性能。

3、工业化和城镇化步伐的加快也带来了另一个环境问题，那就是大量原本位于城市内部的传统工业企业为了适应当下城市发展的区域需求开始搬迁或改制，而这些传统工业企业遗留下来的土地不可避免的受到了一定程度的污染，我们把这类土地称之为城市棕地。在对城市棕地进行安全、合理的开发利用之前，有必要对那些受重金属或有机物污染的城市棕地进行系统的土壤修复与生态重建。目前对此类污染地块较为传统的修复方法主要有淋滤法、生物还原法、蒸汽浸提、光催化降解等，这些方法都普遍存在着处理成本高、效益低、可能带来二次污染等缺陷。因此急需开发出一种绿色环保、经济高效和不产生二次污染的城市棕地土壤修复功能材料。

技术实现思路

0、三、
技术实现要素：

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法。该技术能够在实现污水污泥和钢渣资源无害化处置的同时高效修复城市棕地受污染地块，达到废物利用、以废治废的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将污泥干燥并研磨至粒状，与同样研磨后的钢渣混合均匀，然后置于水热合成釜中，注入硫酸亚铁溶液后将水热合成釜放置到烘箱中进行水热活化反应。

5、(2)将步骤(1)制得的湿热解产物首先经碱洗，再用水冲洗至中性后置于碳酸氢氨溶液中浸渍处理，烘干后在惰性气氛下经高温热解得到城市棕地土壤修复富铁功能材料。

6、作为改进，所述步骤(1)中的污泥为城镇污水厂污泥脱水间初步脱水后的剩余污泥，常温下风干72h，研磨至粒径为200－400μm；所述钢渣来自钢铁厂转炉钢渣，其成分主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铁、氧化镁、五氧化二磷、二氧化钛构成，破碎研磨至粒径为200－400μm。

7、作为改进，所述步骤(1)中污泥和钢渣的质量比为4：1；所述水热反应釜中6.25g生物质对应添加50ml溶液(生物质：溶液＝1：8，g/ml)；所述硫酸亚铁溶液的浓度为0.1－0.4mol/l。

8、作为改进，所述步骤(1)中水热活化的温度为220℃，达到指定温度后反应时间为6h。

9、作为改进，所述步骤(2)中的碱洗液为0.1m氢氧化钾125ml(生物质：碱洗液＝1：20，g/ml)；所述湿热解产物与碳酸氢氨的质量体积比为1g：10－30ml，碳酸氢氨溶液浓度为0.4－0.6mol/l，常温下搅拌浸渍1－2h。

10、作为改进，所述步骤(2)中浸渍完成的湿热解产物在烘箱中的烘干温度为90℃，时间为12h；所述高温热解过程在惰性气氛中进行，升温速率为30℃/min，预定温度为600℃，达到预定温度后的停留时间为2h。

11、另外，本发明还提供了富铁功能材料的应用，将所述制备方法制得的富铁功能材料用于城市棕地受污染地块的生态修复。

12、本发明制备城市棕地土壤修复富铁功能材料的机理：

13、1)该功能材料在制备过程中掺杂转炉钢渣和铁盐不仅可以增加材料的比表面积，还能够使其表面生成纳米级γ-fe2o3和fe3o4，从而提供更多的活性点位，提升对重金属和有机污染物的吸附与降解能力，而且还能为受污染土壤带来大量有机及矿物养分，改善土壤生境，为后续重建生态提供适宜条件；另外，适量铁离子的加入能够促进材料表面持久性自由基的产生，加强对多目标污染物的吸附性能。

14、2)高温热解前先进行水热活化，能够使生物质在高温热解之前暴露出更多的表面结构，减少活化剂用量与活化时间，更有利于后续改性剂与生物质之间的热化学反应。

15、3)在水热活化后进行碱洗和水洗，能够增加材料的比表面积和表面官能团的丰度。其中碱洗可以去除材料表面及孔隙内部的矿物杂质，显著提高炭含量，并在材料表面引入碱性官能团，起到缓释酸化土壤，提高对重金属污染土壤的修复能力。

16、4)碳酸氢氨在高温条件下会生成大量气体产物，在高温热解之前将材料置于碳酸氢氨溶液中浸渍处理，能促使材料在高温热解过程中产生更大的比表面积和更丰富的孔隙结构，强化对土壤有机污染物的吸附能力。

技术特征：

1.一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，该功能材料是基于剩余污泥和钢渣混合体系制成的，并采用一系列定向改性和活化手段使之适用于城市棕地污染地块的土壤修复。其制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的污泥为城镇污水厂污泥脱水间初步脱水后的剩余污泥，常温下风干72h，研磨至粒径为200－400；所述钢渣来自钢铁厂转炉钢渣，其成分主要由氧化钙、二氧化硅、三氧化二铁、氧化镁、五氧化二磷、二氧化钛构成，破碎研磨至粒径为200－400。

3.根据权利要求1所述的一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中污泥和钢渣的质量比为4：1；所述水热反应釜中6.25g生物质对应添加50ml溶液(生物质：溶液＝1：8，g/ml)；所述硫酸亚铁溶液的浓度为0.1－0.4mol/l。

4.根据权利要求1所述的一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中水热活化的温度为220℃，达到指定温度后反应时间为6h。

5.根据权利要求1所述的一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的碱洗液为0.1m氢氧化钾125ml(生物质：碱洗液＝1：20，g/ml)；所述湿热解产物与碳酸氢铵的质量体积比为1g：10－30ml，碳酸氢氨溶液浓度为0.4－0.6mol/l，常温下搅拌浸渍1－2h。

6.根据权利要求1所述的一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中浸渍完成的湿热解产物在烘箱中的烘干温度为90℃，时间为12h；所述高温热解过程在惰性气体中进行，升温速率为30℃/min，预定温度为600℃，达到预定温度后的停留时间为2h。

7.一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，其特征在于，将权利要求1－6所述制备方法制得的富铁功能材料用于城市棕地受污染地块的生态修复。

技术总结
本发明公开了一种用于城市棕地土壤修复的富铁功能材料及其制备方法，该功能材料由污水厂剩余污泥和钢铁厂钢渣研磨过筛后按一定比例混合，添加金属盐活化剂进行水热活化，再将制得的湿热解产物经碱洗、水洗至中性后与碳酸氢氨溶液混合浸渍，烘干后在惰性气氛下进行高温热解制得。本发明的城市棕地土壤修复富铁功能材料具有比表面积大、孔隙结构发达、表面官能团丰富、铁含量高、富有磁性等优点。本发明所得的城市棕地土壤修复富铁功能材料在土壤修复领域有着巨大的应用潜力，特别在城市棕地土壤修复中可作为高效吸附净化功能材料，对受有机和重金属污染的城市棕地有着很好的修复效果。

技术研发人员：汪世旭,詹波立,申书威,刘晓松,张强,程国庆
受保护的技术使用者：中国十七冶集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/30