CN109621900A - 一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭及其制备方法和应用 - Google Patents

一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭及其制备方法和应用，属于植物型生物炭制备领域。本发明以杂草类植物‑商陆作为原材料，通过将新鲜植物经粉碎、烘干、土壤掩埋压实、高温炭化、冷却干燥、去除杂质、研磨过筛得植物型生物炭。该生物炭炭化率高、炭化率可达36.70％，对重金属Cd吸附效果好，吸附率可达90.16％，且易于与处理完的废水进行固液分离。原材料价廉易得，且将无经济价值的杂草类植物资源化利用，为去除重金属Cd污染的水体提供了一种高效、清洁、廉价的方法。

Description

一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及一种可高效吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭及其制备方法和应用，属于植物型生物炭制备领域。
背景技术
通古至今，生物炭有很多种类，其主要可以分为两大类，即植物炭和动物炭。植物炭例如木炭、秸秆碳、果壳炭；动物炭例如动物骨骼炭、动物粪便炭。碳、氢、氧等元素构成了生物炭的主要部分，其中主要是碳元素占70～80％。水体中的重金属可以通过物理方法和化学方法去除。但化学方法往往会给水体增加一些不必要的化学元素。物理吸附能够吸附水中的微小粒径的杂质，方法更加简单，环保。生物炭之所以能够吸附重金属污染的水体中的重金属，其主要原因是由于其特定的结构和理化性质。从理化性质上看，生物炭因具有显著的多孔性质，从而具有比表面积、孔融、表观密度等大的特点，而这些特点构成了生物炭具有吸附性的必要条件。
商陆这种植物生命力旺盛，生长速度快、生长条件要求不高，易成活，在草丛中随处可见。但并不以其作为绿色植物景观，甚至在丛林中作为杂草存在。有时为了提高景观的美感常需要将其清理掉。清理掉或失去了观赏价值后干枯的商陆植株最后作为垃圾被燃烧处理。这就造成了空气颗粒物增加，给空气清洁增加了负担，而且在作为垃圾处理时给环境造成了很大负担，如果能将这些废弃的植物体重复利用，即达到资源循环利用的效果，同时又可以减少为得到一定量的炭所损伤的其他树木的量，实现资源的有效配置。而以商陆为原料制备植物型生物炭还未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法简单，资源来源广泛，可高效吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭。
本发明采用的技术方案是：一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，制备方法包括如下步骤：将新鲜植物经粉碎、烘干、土壤掩埋压实、高温炭化、冷却干燥、去除杂质、研磨过筛得植物型生物炭。
进一步的，上述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，所述新鲜植物为商陆。
更进一步的，上述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，所述新鲜植物为商陆茎、商陆杆和商陆根的一种或二种以上的混合。
进一步的，上述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，所述粉碎为，将植物切成2～4cm长度。
进一步的，上述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，所述烘干为60～75℃下烘干12～16h。
进一步的，上述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，所述土壤掩埋压实是：将粉碎烘干后的植物置于坩埚中，然后向坩埚中装满土壤将植物掩埋并压实。更进一步的，所述土壤是经过70～80℃烘干20～24h的土壤。
进一步的，上述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，所述高温炭化是，于550～650℃下炭化40～50min。
上述的植物型生物炭在吸附水体中重金属Cd中的应用。
进一步的，上述的应用，方法如下：于含有重金属Cd的水体中加入上述的植物型生物炭，吸附50～70min。
更进一步的，上述的应用，方法如下：调节水体中Cd离子的浓度为10～20mg/L，调节pH值为10，按料液比1g:(50～500)mL加入上述的植物型生物炭，吸附60min。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用商陆植物制备生物炭，该生物炭能够吸附水体中重金属Cd，有利于水体中重金属污染的去除，又能实现杂草类植物残体资源化利用，减少燃烧杂草过程中产生的温室气体对环境气候的破坏。
2、本发明制备的商陆植物型生物炭，炭化率高、对重金属Cd吸附效果好，且易于与处理完的废水进行固液分离。原材料价廉易得，将无经济价值的杂草类植物资源化利用，为去除重金属污染水体提供一种高效、清洁、廉价的方法。
3、本发明的原料商陆具有强烈生长力，资源广泛。
附图说明
图1为本发明制备的四种植物型生物炭在不同时长处理下对水中重金属Cd的吸附效果曲线。
图2为本发明制备的四种植物型生物炭对重金属Cd的吸附率最大值。
图3为本发明制备的植物型生物炭投加量对重金属Cd吸附量的影响关系图。
图4为本发明制备的植物型生物炭在不同pH条件下对重金属Cd的吸附效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于该实验实施中。
实施例1
本实施例提供一种商陆植物型生物炭
(一)制备方法包括如下步骤：
1、取料：分别取新鲜的商陆杆20株(鲜重576.43g)、商陆根20枝(鲜重79.34g)、商陆茎20株(鲜重286.83g)和20株去叶的全商陆(即只将商陆的叶去掉，保留茎杆根三部分)(鲜重1061.21g)。
2、粉碎：分别将这些植株剪成约3cm长的块状，分别放入不同的坩埚中。
3、烘干：置于70℃的烘箱中，烘干15h。
4、土壤掩埋压实：将土壤先于70℃下烘干20h，过80目筛，备用。土壤的目的只是为了隔绝空气，所以不限于土壤的来源。分别向装有烘干后的商陆茎、杆、根和去叶全商陆的坩埚中装满土壤，将植物掩埋并压实。
5、高温炭化：将坩埚放入电阻炉中，升温速率为30℃/min，升温至600℃，于600℃下焙烧40min。
6、冷却干燥：高温炭化后，将坩埚取出，快速置于装有干燥剂并隔绝空气的冷却室中，冷却干燥。
7、去除杂质，研磨过筛：冷却干燥后，去除土壤，取出坩埚中的产物，分别研磨，过100目筛，即分别得到商陆杆生物炭、商陆根生物炭、商陆茎生物炭和去叶全商陆生物炭，置于自封袋中备用。
(二)结果
表1 植物炭化前后参数对比表
由表1可见，商陆根的碳化率更高，这是由于商陆根部的含水量相对较小，其含有较多的碳元素。商陆杆和商陆茎含水的成分所占比例较大。由于炭化过程中水分被蒸发，大部分有机物在高温下挥发和分解，最后纤维素的结构被破坏，剩下炭化后的炭块作为所需的生物炭。商陆植物型生物炭炭化率由高到低依次为：商陆根生物炭(38.18％)、商陆杆生物炭(37.15％)、去叶全商陆生物炭(36.70％)、商陆茎生物炭(35.73％)。
实施例2植物型生物炭在吸附水体中重金属Cd中的应用
方法：取28个容量为50mL的离心管，分成七组。每组分别取0.3g实施例1制备的商陆杆生物炭、商陆根生物炭、商陆茎生物炭和去叶全商陆生物炭分别加入不同的离心管中，然后分别加入20mL浓度为10.27mg/L的CdCl2溶液，置于振荡器上(250r/min，25℃)，并开始计时。分别在5min、20min、60min、90min、120min、180min、240min时各从振荡器上取出一组，将离心管放入离心机(5000r/min)中离心处理10min，使生物炭沉淀在离心管底部。将上清液滤过孔径为0.45μm的滤纸，过滤到标好标签的容量瓶中待测吸光度，根据Cd的标准曲线换算浓度并记录。结果如图1所示。
由图1可以看出，商陆杆生物炭、商陆根生物炭、商陆茎生物炭和去叶全商陆生物炭的吸附效果有共同的特点，即在60min时上清液中Cd的浓度最低，即此时的总吸附量最大，但60min后再持续振荡，溶液中Cd的浓度又开始增大，说明生物炭的吸附效果不是永久性，达到吸附量最大后又会释放已经吸附的Cd元素回到溶液中即解吸。因此本发明优选吸附时间为60min。
图2为吸附时间为60min时，不同植物型生物炭的最大吸附量。从图2中可以看出，吸附效果最好的是去叶全商陆生物炭，吸附率为86.17％。然后依次是商陆根生物炭、商陆杆生物炭和商陆茎生物炭，吸附率依次为83.64％、82.28％、80.82％。
实施例3
植物型生物炭用量及溶液pH对吸附效果的影响
(一)植物型生物炭用量对吸附效果的影响
为探究应用于大批量的重金属水体吸附工艺当中，相比之下去叶全商陆生物炭的产率较高，同时也具有较高的吸附率。因此选用去叶全商陆生物炭进行实验。
方法：分别称取三份0.01g、0.05g、0.1g、0.25g、0.5g、1g、2g实施例1制备的去叶全商陆生物炭于离心管中，分别加入50mL浓度为10.27mg/L的CdCl2溶液，将离心管置于振荡器上，振荡吸附1h后停止，并立即放入离心机(5000r/min)中离心处理10min，使生物炭沉淀在离心管底部。将上清液滤过孔径为0.45μm的滤纸，过滤到标好标签的容量瓶中待测吸光度。根据Cd的标准曲线将吸光度换算为浓度并记录。
图3为去叶全商陆生物炭的投加量与吸附量的柱状图，由图3可见，随着投加量的增多吸附率先增加在逐渐减少，说明过多的投加并不能提高吸附效果，多余的生物炭没有理想中的吸附效果，而且造成了不同程度的浪费。去叶全商陆生物炭的投加量在小于0.5g时，总吸附量随着投加量的增加吸附趋势不断增加，当投加量大于0.5g时，总吸附量随着投加量的增加吸附趋势不断减小，这意味着投加量超过0.5g时造成了吸附剂的空余，过多的吸附剂对吸附效果的提高起不到良好的效果，反而对生物炭的使用造成了浪费。因此，本发明优选，调节水体中Cd离子的浓度为10～20mg/L，料液比优选1g:(50～500)mL，更优选的，料液比为1g:100mL。
(二)溶液pH值对吸附效果的影响
方法：分别取50mL浓度为10.27mg/L的CdCl2溶液，分别调节溶液的pH值为2、4、6、7、8、10，然后分别加入实施例1制备的去叶全商陆生物炭0.5g，将离心管置于振荡器上，振荡吸附1h后停止，立即放入离心机(5000r/min)中离心处理10min，使生物炭沉淀在离心管底部。将上清液滤过孔径为0.45μm的滤纸，过滤到标好标签的容量瓶中待测吸光度。根据Cd的标准曲线将吸光度换算为浓度并记录。
图4为不同pH条件下对重金属Cd的吸附效果，由图4可见，在pH为10时吸附率最大，达到90.16％。因此，本发明优选调节水体溶液的pH为10。

Claims (10)

1.一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：制备方法包括如下步骤：将新鲜植物经粉碎、烘干、土壤掩埋压实、高温炭化、冷却干燥、去除杂质、研磨过筛得植物型生物炭。
2.根据权利要求1所述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：所述新鲜植物为商陆。
3.根据权利要求2所述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：所述新鲜植物为商陆茎、商陆杆和商陆根的一种或二种以上的混合。
4.根据权利要求1所述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：所述粉碎为，将植物切成2～4cm长度。
5.根据权利要求1所述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：所述烘干为60～75℃下烘干12～16h。
6.根据权利要求1所述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：所述土壤掩埋压实是：将粉碎烘干后的植物置于坩埚中，然后向坩埚中装满土壤将植物掩埋并压实。
7.根据权利要求1所述的一种吸附水体中重金属Cd的植物型生物炭，其特征在于：所述高温炭化是，于550～650℃下炭化40～50min。
8.权利要求1所述的植物型生物炭在吸附水体中重金属Cd中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，方法如下：于含有重金属Cd的水体中加入权利要求1所述的植物型生物炭，吸附50～70min。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，方法如下：调节水体中Cd离子的浓度为10～20mg/L，调节pH值为10，按料液比1g:(50～500)mL加入权利要求1所述的植物型生物炭，吸附60min。
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