一种基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料及其制备方法和在污染废水处理中的应用

本发明属于废水处理与固废资源化利用，特别涉及一种基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料及其制备方法和在污染废水处理中的应用。

背景技术：

1、我国河流广布，但是很多水体存在黑臭。黑臭水体不仅影响环境美观，还是水体内源污染的重要来源，黑臭水体的处理是净化水体很重要的一步。我国现在常用的方法是疏浚，疏浚产生的大量底泥进行填埋处理，但是填埋需要大量的土地资源并且填埋后产生的渗滤液会对地下水造成污染，因为需要寻求更高效有利的处置方法。

2、生物炭以及沸石都是常见的吸附材料。但在实际应用的过程中发现，沸石使用过程中存在聚集、悬浮、低矿化率以及单元内扩散顺序不均匀等问题，这使得沸石在大规模应用时效果不够稳定。然而在加入生物炭以后，沸石膜能交叉固定在生物炭表面，极大地促进了沸石纳米颗粒内部的化学、物理、微晶结构、化学键和能带隙的改变，提高了多向活性通道的可达性，增强了材料的稳定性和耐久性。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料的制备方法；相对于传统的底泥处理方式，该方法实现了废物资源化，同时克服了沸石在大规模应用时效果不够稳定的问题，增强了它的稳定性和耐久性。

2、本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料。

3、本发明的再一目的在于提供一种上述基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料在污染废水处理中的应用。

4、本发明的目的通过下述技术方案实现：

5、一种基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料的制备方法，按照以下操作步骤：

6、(1)将底泥干燥、研磨，得到细腻的底泥粉末；将所得底泥粉末和氢氧化钠混合，研磨后倒入瓷舟；将瓷舟放入管式炉，在氮气氛围下高温热解，得到混合固体物；

7、(2)向混合固体物中加入去离子水，搅拌老化，得到胶状液体；将胶状液体倒入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中，在烘箱中以60～95℃反应24小时；将反应后的产物洗至ph为中性，烘干后得到基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料。

8、步骤(1)所述底泥为河流底泥，其中的硅铝摩尔比在(1～3)：1。

9、步骤(1)所述底泥粉末和氢氧化钠的质量比为(0.5～2)：1。

10、步骤(1)所述高温热解采用的温度为550～750℃，热解时长为90～100分钟。

11、步骤(2)所述去离子水和混合固体物的质量比为(3～5)：1。

12、步骤(2)所述搅拌老化的时间为2～24小时。

13、一种由上述的制备方法制备得到的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料。

14、上述的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料在重金属-有机物复合污染废水处理中的应用。

15、上述的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料在同步去除复合污染废水中砷和四环素的应用。

16、本发明主要解决的技术问题和难点：底泥作为一种固体废物难以处理，但可以通过合成材料完成资源化利用；另外现在的环境污染中重金属和有机物之间具有相加作用，本发明可直接应用于复合污染废水处理。

17、本发明的关键点：

18、(1)本发明将底泥制备成沸石的时候引入了生物炭，促进了沸石结构的生成和稳定，能够处理重金属-有机物复合污染废水；

19、(2)本发明将底泥制备成沸石的过程中采用限氧的条件，可以保留底泥中的碳，即在底泥制备沸石的高温碱融过程中限氧可以同时将碳转为生物炭，生物炭的存在加速了水热时沸石晶体的形成，在相同的条件下，含有生物炭的前驱体合成沸石的水热时间减半，所需温度也有所降低；在相同条件下，限氧反应的底泥可以生成碳峰及沸石特征峰，但是不限氧反应的底泥无法得到任何有效产物。

20、本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：

21、(1)本发明使用底泥作为复合材料的原料，让底泥从固体废物成为具有商业价值的吸附材料，并且生物炭的形成不仅能够促进沸石结构的生成，还能够提高沸石的稳定性和耐久性。将底泥合成为沸石-生物炭复合材料可以将底泥利用率达到最大化，且可以解决大量底泥无处处置的问题，这种方法不仅完成了对底泥的资源化利用，符合“双碳”战略，而且改善了沸石在实际应用中的各类缺点，同时使其具有生物炭的性质，拓展了应用范围。

22、(2)本发明基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料同时具有生物炭和沸石的性能，沸石能够对重金属进行吸附，而生物炭能作为催化剂催化氧化有机物，在处理复合废水时具有优势。

23、(3)底泥制备沸石的过程中，如果只是采用一般的高温碱融法，底泥中的碳无法被利用，而本发明高温碱融法中采取了限氧，在保留了原材料碳的基础上制备沸石，不仅提高了沸石的合成效率，还使最终产物同时具有沸石和生物炭的性质，这样得到的产物既可以吸附重金属又可以催化氧化有机物。

24、(4)根据实际的实验结果，将本发明复合材料投入同时含有12mg/l砷和四环素的废水，进行吸附以及催化氧化，最终废水中的砷去除率可以达到88.96％，四环素的去除率可以达到89.41％，是能够同时实现两种功能的高效材料。

技术特征：

1.一种基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料的制备方法，其特征在于按照以下操作步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述底泥为河流底泥，其中的硅铝摩尔比在(1～3)：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述底泥粉末和氢氧化钠的质量比为(0.5～2)：1。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述高温热解采用的温度为550～750℃，热解时长为90～100分钟。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述去离子水和混合固体物的质量比为(3～5)：1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述搅拌老化的时间为2～24小时。

7.一种由权利要求1～6任一项所述的制备方法制备得到的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料。

8.根据权利要求7所述的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料在重金属-有机物复合污染废水处理中的应用。

9.根据权利要求7所述的基于底泥合成的沸石-生物炭复合材料在同步去除复合污染废水中砷和四环素的应用。

技术总结
本发明属于废水处理与固废资源化利用技术领域，公开了一种基于底泥合成的沸石‑生物炭复合材料及其制备方法和应用。该方法按照以下操作步骤：将底泥干燥、研磨，所得底泥粉末和氢氧化钠混合研磨，置入管式炉在氮气氛围下高温热解，得到混合固体物；加入去离子水，搅拌老化，得到胶状液体；将胶状液体在烘箱中以60～95℃反应24小时；洗至pH为中性，烘干后得到基于底泥合成的沸石‑生物炭复合材料。本发明在保留了原材料碳的基础上制备沸石，不仅提高了沸石的合成效率，还使最终产物同时具有沸石和生物炭的性质，即既可以吸附重金属又可以催化氧化有机物。

技术研发人员：余光伟,欧阳荷,陈梓婷,李添燕,周珈加,石雨婷,黄荣,仇荣亮,梁瑜海,林庆祺,陈剑,程明双,李宁,王澳,张盛锐
受保护的技术使用者：华南农业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17