CN110564433A - 一种超富集植物基生物炭及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超富集植物基生物炭及其制备方法与应用，所述的超富集植物基生物炭的制备方法包括自然风干、粉碎以及无氧热解步骤。所述的超富集植物基生物炭是按所述的制备方法制备得到的。所述的应用是超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。本发明通过将超富集植物无氧热解制成生物炭，从而使超富集植物中的重金属无害化，并对超富集植物进行再次利用；本发明超富集植物基生物炭能够用于固化吸附重金属离子，具有绿色节能环保的优点，市场应用前景十分广阔。
Description
技术领域
本发明属于超富集植物无害化技术领域，具体涉及一种超富集植物基生物炭及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，由于工业废物的排放和不合理的农业管理措施，导致土壤中的重金属污染日趋严重。土壤中累积的重金属，不仅对土壤-植物生态***产生危害，导致土壤退化、农产品产量和品质降低，而且通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，恶化水文环境，并可能通过直接接触和食物链的富集作用危机人类健康。
重金属污染土壤的修复主要采用物理、化学和生物修复技术。
植物修复，又称绿色修复，是通过绿色植物来固定、吸收、转移、转化、降解土壤中的污染物。植物修复作为一种新兴的、高效的生物修复途径，因其具有效果好、投资少、费用低、易于管理与操作、不产生二次污染等优点，已逐渐发展成为重金属污染土壤修复最有发展前途的修复方法之一。
重金属超富集植物具有对重金属离子高效的吸收转运、向地上部转运和解毒的机制。植物修复后的超富集植物含有较高浓度的重金属，考虑到落叶或植物腐烂等因素会导致重金属重回土壤，如何实现超富集植物的无害化、资源化、能源化处理是植物修复技术规模发展过程中亟待解决的问题。
目前处理超富集植物的方法有焚烧法、堆肥法、压缩填埋法、高温分解法等。焚烧法是一种高温热处理技术，以一定的过剩空气与被处理的有机废物在焚烧炉内进行氧化燃烧反应，但是该技术需要耗费大量的电能，其中火法冶炼步骤还会排放大量危险尾气到大气中，灰分固化过程中需投加螯合剂等多种化学药品；堆肥法作为一种处理方法，它起的作用是减少植物体的生物量和体积，同时便于运输和后处理，但该方法易产生臭味，发酵仓***需要高额的投资，而且堆肥周期也较长，堆肥产品亦存在潜在的不稳定性；压缩填埋法可节省大量的时间，减少体积，但过程中植物生物量较大，不易运输，需要占用经过特殊处理的场地，运行成本高，处理效率低，同时堆放自然分解过程中，危险废物并没有消除，最终产品仍然有风险性；高温分解法是在高温和厌氧情况下对植物剧烈热激发，使植物体瞬间分解的一种处理方法，但该方法要求植物残体的含水率较少，且需要高额的安装、调试和运行费用。为此，研发一种能够解决上述问题的超富集植物基生物炭及其制备方法与应用是非常必要的。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种超富集植物基生物炭的制备方法。
本发明的第一目的是这样实现的，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量低于2%，去除非生物质组分后进行粉碎，过20~100目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于400~900℃无氧热解2~4h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
本发明的第二目的在于提供一种超富集植物基生物炭。
本发明的第二目的是这样实现的，所述的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到超富集植物基生物炭。
本发明的第三目的在于提供一种超富集植物基生物炭的应用。
本发明的第三目的是这样实现的，所述的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
本发明的有益效果：本发明使用的超富集植物原料为生物修复废弃物，从未得到利用，来源广泛。本发明通过将超富集植物无氧热解制成生物炭，从而使超富集植物中的重金属无害化，解决了超富集植物吸附重金属后的安全处理问题；本发明对超富集植物进行再次利用，超富集植物基生物炭能够用于固化吸附重金属离子，避免了采矿、冶炼、化学制备等一系列高能耗、高物耗的过程，具有绿色节能环保的优点，方法整体上工艺简单、经济环保，利于规模化生产，市场应用前景十分广阔。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量低于2%，去除非生物质组分后进行粉碎，过20~100目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于400~900℃无氧热解2~4h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
优选地，S1步骤所述的超富集植物为已富集重金属的伴矿景天、东南景天、蜈蚣草、美洲商陆、海州香薷、芒萁及壶瓶碎米荠中的一种或多种；
伴矿景天的拉丁名为sedum plumbizincicola；东南景天的拉丁名为sedum alfredii；蜈蚣草的拉丁名为pterisvittata；美洲商陆的拉丁名为phytolaccaamericana；海州香薷的拉丁名为elsholtziasplendens；芒萁的拉丁名为dicranopterisdichotoma；壶瓶碎米荠的拉丁名为cardaminehupingshanensis。
优选地，S1步骤过筛是过50~80目筛。
优选地，S1步骤水分含量为1.5~1.8%。
优选地，S2步骤中所述的无氧热解的升温速度为5~10℃/min。
优选地，S2步骤中所述的热解温度为500~800℃。
优选地，S2步骤无氧热解2~3h。
所述的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
所述的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
优选地，所述的应用，包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有重金属离子的废水通过吸附柱，废水中的重金属离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后进行高温氧化焚烧，得到包括重金属氧体复合体和/或硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的重金属离子固化于重金属氧体复合体和/或硅酸盐化合物中。
优选地，C步骤中所述的高温氧化焚烧的温度为500~1500℃，高温氧化焚烧期间不断通入空气。
优选地，所述的高温氧化焚烧的温度为800~1300℃。
优选地，C步骤中在高温氧化焚烧前，向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.1~0.5：1。
优选地，B步骤中所述的重金属离子为Cr3+、Cu2+、Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+中的一种或多种。
下面结合实施例1~实施例35对本发明作进一步说明。
实施例1
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量0.1%，去除非生物质组分后进行粉碎，过20目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于400℃无氧热解2h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例2
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量1.9%，去除非生物质组分后进行粉碎，过100目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于900℃无氧热解4h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例3
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量1%，去除非生物质组分后进行粉碎，过60目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于650℃无氧热解3h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例4
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量1.5%，去除非生物质组分后进行粉碎，过50目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于500℃无氧热解2h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例5
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量1.8%，去除非生物质组分后进行粉碎，过80目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于800℃无氧热解4h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例6
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量0.1%，去除非生物质组分后进行粉碎，过20目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于400℃无氧热解2h，无氧热解的升温速度为5℃/min，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例7
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量1.9%，去除非生物质组分后进行粉碎，过100目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于900℃无氧热解4h，无氧热解的升温速度为10℃/min，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例8
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量1%，去除非生物质组分后进行粉碎，过60目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料于650℃无氧热解3h，无氧热解的升温速度为7.5℃/min，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例9
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将20kg已富集重金属的东南景天自然风干至水分含量1.4%，去除非生物质组分后进行粉碎，过70目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料置于瓷坩埚中，再装入马弗炉，于700℃无氧热解3h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例10
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将15kg已富集重金属的伴矿景天自然风干至水分含量1.2%，去除非生物质组分后进行粉碎，过30目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料置于瓷坩埚中，再装入马弗炉，于700℃无氧热解3.5h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例11
超富集植物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、首先将13kg已富集重金属的蜈蚣草自然风干至水分含量1.4%，去除非生物质组分后进行粉碎，过60目筛，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料置于瓷坩埚中，再装入马弗炉，于800℃无氧热解2.5h，然后冷却至室温，得到超富集植物基生物炭。
实施例12
按实施例1的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例13
按实施例3的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例14
按实施例5的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例15
按实施例7的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例16
按实施例9的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例17
按实施例10的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例18
按实施例11的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
实施例19
按实施例12的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例20
按实施例13的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例21
按实施例14的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例22
按实施例15的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例23
按实施例16的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例24
按实施例17的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例25
按实施例18的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
实施例26
按实施例12的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有重金属离子的废水通过吸附柱，废水中的重金属离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后进行高温氧化焚烧，得到包括重金属氧体复合体的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的重金属离子固化于重金属氧体复合体中。
实施例27
按实施例13的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Ni+离子的废水通过吸附柱，废水中的Ni+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为500℃，得到包括重金属氧体复合体的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Ni+离子固化于重金属氧体复合体中。
实施例28
按实施例14的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Mn2+离子的废水通过吸附柱，废水中的Mn2+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为1500℃，得到包括硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Mn2+离子固化于硅酸盐化合物中。
实施例29
按实施例15的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Cd2+离子的废水通过吸附柱，废水中的Cd2+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为1000℃，得到包括硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Cd2+离子固化于硅酸盐化合物中。
实施例30
按实施例13的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Zn2+离子的废水通过吸附柱，废水中的Zn2+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.1：1，再进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为500℃，得到包括硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Zn2+离子固化于硅酸盐化合物中。
实施例31
按实施例14的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+离子的废水通过吸附柱，废水中的Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.2：1，再进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为1500℃，得到包括硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+离子固化于硅酸盐化合物中。
实施例32
按实施例15的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Cr3+、Cu2+、Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+离子的废水通过吸附柱，废水中的Cr3+、Cu2+、Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.4：1，再进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为1000℃，得到包括硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Cr3+、Cu2+、Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+离子固化于硅酸盐化合物中。
实施例33
按实施例16的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Cr3+离子的废水通过吸附柱，废水中的Cr3+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.35：1，再进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为1000℃，得到包括重金属氧体复合体的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Cr3+离子固化于重金属氧体复合体中。
实施例34
按实施例17的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Cu2+离子的废水通过吸附柱，废水中的Cu2+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.25：1，再进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为800℃，得到包括重金属氧体复合体的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Cu2+离子固化于重金属氧体复合体中。
实施例35
按实施例18的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用，所述的应用包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有Cu2+、Cr3+重金属离子的废水通过吸附柱，废水中的Cu2+、Cr3+离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.5：1，，再进行高温氧化焚烧，高温氧化焚烧的温度为1300℃，得到包括硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的Cu2+、Cr3+离子固化于硅酸盐化合物中。
Claims (10)
1.一种超富集植物基生物炭的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、首先将超富集植物自然风干至水分含量低于2%，然后粉碎，得粉碎料；
S2、将S1步骤制备得到的粉碎料与燃料按质量比1：1~10000混合均匀，然后置于焚烧炉中，进行矿石的火法冶炼。
2.根据权利要求1所述的超富集植物基生物炭的制备方法，其特征在于S1步骤所述的超富集植物为已富集重金属的伴矿景天、东南景天、蜈蚣草、美洲商陆、海州香薷、芒萁及壶瓶碎米荠中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的超富集植物基生物炭的制备方法，其特征在于S2步骤中所述的热解温度为500~800℃。
4.一种根据权利要求1~3任一所述的超富集植物基生物炭的制备方法制备得到的超富集植物基生物炭。
5.一种根据权利要求4所述的超富集植物基生物炭在吸附固化重金属离子中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于包括以下步骤：
A、将超富集植物基生物炭装填为吸附柱；
B、含有重金属离子的废水通过吸附柱，废水中的重金属离子被截留于吸附柱；
C、将经过B步骤吸附的超富集植物基生物炭取出，经干燥后进行高温氧化焚烧，得到包括重金属氧体复合体和/或硅酸盐化合物的固化产物，超富集植物基生物炭吸附的重金属离子固化于重金属氧体复合体和/或硅酸盐化合物中。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于C步骤中所述的高温氧化焚烧的温度为500~1500℃，高温氧化焚烧期间不断通入空气。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于所述的高温氧化焚烧的温度为800~1300℃。
9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于C步骤中在高温氧化焚烧前，向干燥的超富集植物基生物炭中加入氢氧化钙并混合均匀，氢氧化钙与干燥的超富集植物基生物炭质量比为0.1~0.5：1。
10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于B步骤中所述的重金属离子为Cr3+、Cu2+、Ni+、Mn2+、Cd2+及Zn2+中的一种或多种。
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