CN103224262A - 使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法 - Google Patents

使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法。步骤如下：将牛粪废弃生物质置于N2惰性气氛中，200～500℃温度下慢速热解，制成生物质炭，然后将其加入重金属和有机物复合污染水中，污染物通过吸附、沉淀、分配等过程同时得以去除。本发明的生物质炭是由牛粪废弃生物质热解产生的，因此，材料制备成本低；该生物质炭含有大量的无机成分如PO4 3-、CO3 2-等，可以通过与重金属生成沉淀从而去除水中重金属；同时牛粪生物质炭具有丰富的有机碳和π键以及丰富的孔隙结构和表面官能团，可以通过分配和吸附作用有效地去除水中有机污染。与现有技术相比，本发明处理方法简单、材料制备及运行成本低，且可有效地同时去除水中重金属和有机污染物。

Description

使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，涉及同时去除水中重金属和有机物复合污染的处理方法，具体涉及一种使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法。
背景技术
我国水体污染日益凸显，而且多表现为重金属和有机物的复合污染。目前，市面上已经存在各种各样的吸附剂通常价格比较昂贵，而且只能够吸附单一的重金属或有机物。因此，开发出经济有效并且能够同时去除重金属和有机物的吸附剂势在必行。
生物质炭作为“C”汇材料已引起了广泛关注，它是将生物质废弃物在限氧低温(＜500℃)条件下热解制备成富含芳香类碳的物质即“生物质炭”，然后将生物质炭输入土壤中，是一条有效地“C”汇途径。近年来，研究发现生物质炭具有丰富的孔隙结构和表面官能团，因此可以作为一种吸附剂用于环境污染控制。生物质炭的材料来源主要是一些作物秸秆、畜牧粪便、枯木树枝等生物质废弃物，因此，将生物质废弃物转化成生物炭作为吸附材料，不仅成本低而且是生物质废弃物的一种增值利用的有效途径。目前，生物质炭作为吸附材料主要用于水中有机污染物如PAHs、PCBs等或重金属如Pb、Cr等的吸附去除，而对于重金属和有机污染物的同时去除未见报道。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有吸附剂成本较高以及不能同时去除重金属和有机污染物的问题，提供一种使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法。本发明利用含有丰富的无机C和P的牛粪废弃生物质转化成生物质炭治理复合污染的处理方法，使重金属和有机物的浓度得到明显降低，同时生物质废弃物得到有效利用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明涉及一种使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，包括如下步骤：
A、将废弃生物质风干，粉碎，过筛；
B、将所述步骤A中过筛后的废弃生物质在惰性气氛中，200～500℃温度下慢速热解，制得生物质炭，粉碎、过筛；
C、将所述步骤B中过筛后的生物质炭加入重金属和有机物复合污染水中，混合搅拌反应后固液分离，即可将所述重金属和有机污染物从水中去除。
优选地，步骤A中，所述废弃生物质为牛粪废弃物。
优选地，步骤A中，所述生物质炭粉碎至0.5～2cm。
优选地，步骤B中，所述惰性气氛为N2气氛。
优选地，步骤B中，所述慢速热解的速度为10～20℃/min，最高温度停留时间为2～4h。
优选地，步骤B中，所述过筛后的生物质炭粒径为0.1～0.5mm。
优选地，步骤C中，所述生物质炭与重金属和有机物复合污染水的比值为1∶(50～100)g/mL。
优选地，步骤C中，所述混合搅拌反应的时间为2～4天。
本发明的技术原理如下：牛粪生物质炭具有丰富的有机碳和π键以及丰富的孔隙结构和表面官能团，因此生物质炭可以通过分配和吸附作用有效地去除水中有机污染；另一方面，牛粪生物质炭无机成分如PO4 3-、CO3 2-等含量较大，因此可以通过与重金属生成沉淀从而去除水中重金属，因此牛粪生物质炭可以达到同时去除重金属和有机物的效果，实现复合污染共同治理的目标。
牛粪生物炭对重金属的去除主要通过沉淀作用。如在200℃条件下制备的生物炭中含有大量的可溶性磷，其可以与重金属(以Pb为例)反应生成磷酸盐沉淀β-Pb9(PO4)6，沉淀反应如下：
在350℃或350℃温度下制备的生物炭虽然其可溶性磷较少，但碳酸根浓度很高，有利于形成碳酸铅Pb3(CO3)2(OH)2沉淀，沉淀反应如下：
Figure BDA00003002806000022
牛粪生物质炭具有丰富的有机碳和π键以及丰富的孔隙结构和表面官能团，因此，其对有机物的去除主要通过分配作用和吸附作用。
因此，牛粪生物质炭中的不同组分在重金属和有机物的去除过程中发挥着不同的作用，经过该生物质炭处理的重金属和有机物复合污染水，其所含重金属和有机物的浓度得到明显降低。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明可以在较低的处理成本下，使重金属和有机物污染物同时得到有效处理，并且由于生物质炭对重金属和有机物的去除机理不同，因此生物质炭在治理有机物和重金属的复合污染时，竞争吸附的现象较弱，有利于生物质炭作为一种新型吸附剂在复合污染治理中的推广；
2、本发明中所使用的吸附剂是将废弃的牛粪生物质转化而成的生物质炭，因此原材料成本很低，并且实现了废弃生物质的资源化。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1是本发明的流程示意图；如图1所示，本发明的方法中，将牛粪生物质通过限氧加热制备成生物质炭，将生物质炭按照一定的比例投加到重金属和有机物的复合污染水中，然后进行足够时间的充分混合，水中重金属和有机物由于被生物质炭吸附、沉淀等显著下降，从而达到去除目的。具体去除原理为：由于生物质炭无机成分如PO4 3-、CO3 2-等含量高，因此可以通过与重金属生成沉淀从而去除水中重金属；同时牛粪生物质炭具有丰富的有机碳和π键以及丰富的孔隙结构和表面官能团，因此生物质炭可以通过分配和吸附作用有效地去除水中有机污染；经过上述双重机理作用，牛粪生物质炭可以达到水中的重金属与有机污染物同时去除的效果。具体应用见以下各实施例。
实施例1
取上海市一养殖场的牛粪，在自然条件下风干，粉碎过筛至粒径为0.5～2cm，在N2氛围下，以20℃/min的升温速度加热至200℃，保留4小时，制得生物质炭，然后将生物质炭研磨过筛，使其粒径为0.1～0.2mm。将生物质炭按照1∶100(g/mL)的固液比投加到重金属Pb和有机农药阿特拉津复合污染水中，其中Pb的浓度为207mg/L，阿特拉津的浓度为10mg/L。然后经过3天的充分混合振荡，离心分离，测水中污染物浓度。发现水中Pb的浓度降低到检出限0.05mg/L以下，去除率几乎为100％；阿特拉津的浓度降低到4.2mg/L，去除率为58％。
实施例2
取上海市一养殖场的猪粪，在自然条件下风干，粉碎过筛至粒径为0.5～2cm，在N2氛围下，以20℃/min的升温速度加热至350℃，保留4小时，制得生物质炭。之后将生物质炭研磨过筛，使其粒径为0.1～0.2mm。将生物质炭按照1∶100(g/mL)的固液比投加到重金属Pb和有机农药阿特拉津复合污染水中，其中Pb的浓度为207mg/L，阿特拉津的浓度为10mg/L。然后经过3天的充分混合振荡，离心分离，测水中污染物浓度。发现水中Pb的浓度降低到检出限0.05mg/L以下，去除率几乎为100％；阿特拉津的浓度降低到5.7mg/L，去除率为43％。
实施例3
取上海市一养殖场的牛粪，在自然条件下风干，粉碎过筛至粒径为0.5～2cm，在N2氛围下，以10℃/min的升温速度加热至350℃，保留3小时，制得生物质炭。之后将生物质炭研磨过筛，使其粒径为0.1～0.2mm。将生物质炭按照1∶50(g/mL)的固液比投加到重金属Pb和有机农药阿特拉津复合污染水中，其中Pb的浓度为207mg/L，阿特拉津的浓度为10mg/L。然后经过2天的充分混合振荡，离心分离，测水中污染物浓度。发现出水中Pb的浓度降低到检出限0.05mg/L以下，去除率几乎为100％；阿特拉津的浓度降低到2.2mg/L，去除率为78％。
实施例4
取上海市一养殖场的牛粪，在自然条件下风干，粉碎过筛至粒径为0.5～2cm，在N2氛围下，以15℃/min的升温速度加热至500℃，保留2小时，制得生物质炭。之后将生物质炭研磨过筛，使其粒径为0.2～0.5mm。将生物质炭按照1∶75(g/mL)的固液比投加到重金属Pb和有机农药阿特拉津复合污染水中，其中Pb的浓度为207mg/L，阿特拉津的浓度为10mg/L。然后经过4天的充分混合振荡，离心分离，测水中污染物浓度。发现出水中Pb的浓度降低到检出限0.05mg/L以下，去除率几乎为100％；阿特拉津的浓度降低到1.06mg/L，去除率为89.4％。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、将废弃生物质风干，粉碎，过筛；
B、将所述步骤A中过筛后的废弃生物质在惰性气氛中，200～500℃温度下慢速热解，制得生物质炭，粉碎、过筛；
C、将所述步骤B中过筛后的生物质炭加入重金属和有机物复合污染水中，混合搅拌反应后固液分离，即可将所述重金属和有机污染物从水中去除。
2.根据权利要求1所述的使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤A中，所述废弃生物质为牛粪废弃物。
3.根据权利要求1所述的使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤A中，所述生物质炭粉碎至0.5～2cm。
4.根据权利要求1所述的使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤B中，所述惰性气氛为N2气氛。
5.根据权利要求1所述的使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤B中，所述慢速热解的速度为10～20℃/min，最高温度停留时间为2～4h。
6.根据权利要求1所述的使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤B中，所述过筛后的生物质炭粒径为0.1～0.5mm。
7.根据权利要求1所述的使用生物质炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤C中，每100mL所述重金属和有机物复合污染水中加入过筛后的生物质炭1～2g。
8.根据权利要求1所述的使用生物炭同时去除水中重金属和有机污染物的方法，其特征在于，步骤C中，所述混合搅拌反应的时间为2～4天。
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