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Abstract

本发明公开了一种增强土壤自修复的生物炭及其制备方法与应用。该生物炭的制备包括以下步骤：将生物质置于浓度为3～8g/L，pH值为1～3的过氧化氢溶液中浸泡24～72h，用水洗涤至中性，干燥后置于半封闭炭化炉在500～900℃高温下分解生成多孔生物质炭黑，炭化时间为24～36h，得到碳材料，将碳材料用稀盐酸浸泡，经水洗、烘干后制备得到生物炭。本发明制备的生物炭产品成本低、产量高、工艺简单、对环境友好的特点，制备的功能生物炭对重金属吸附效果好，强化微生物活性；并且稳定性高，能对重金属和有机物染污的水体和土壤进行修复。

Description

一种增强土壤自修复的生物炭及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于生物炭技术领域，具体涉及一种增强土壤自修复的生物炭及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国工业迅速发展，电镀、钢铁和染料等行业越来越多废水废渣的不合理排放，形成了土壤和水体发生重金属污染的严峻态势。重金属离子化学性质稳定不能被微生物所降解，还能够通过食物链在生物体内富集，影响着人类健康。生物炭天然的多孔结构对有毒重金属具有较强的吸附力，通过吸附固定作用使有毒物质固定在炭的微孔表面上，从而降低这些污染物在土壤中的化学活性和毒性，达到长效地修复污染土壤的目的。
微生物电化学技术(METs)在废水处理中的发展和全面应用需要大量的导电碳材料来促进细胞外电子转移(EET)和生物降解。尽管这些材料及其特性在设计高效***方面的潜在能力仍处于起步阶段，但最新的METs是基于高导电性的常用的碳衍生材料(焦炭和石墨)，对生物炭在微生物电子传递作用这方面的研究相对较少。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种增强土壤自修复的生物炭的制备方法，其包括以下步骤：将生物质原料置于浓度为3～8g/L，pH值为1～3的过氧化氢溶液中浸泡24～72h，用水洗涤至中性，干燥后置于半封闭炭化炉中在500～900℃高温下分解炭化，炭化时间为24～36h，得到碳材料，将碳材料用稀盐酸浸泡，经水洗、烘干后制备得到生物炭。
所述的生物质原料包括秸秆、麦秆、木屑、木材或果皮。
所述的用稀盐酸浸泡是用0.01mol/L的稀盐酸浸泡2～3h。
本发明以生物质为碳源，将生物质置于浓度为3～8g/L，pH值为1～3的过氧化氢溶液中浸泡处理。在酸性条件下，过氧化氢的氧化性会在生物质表面产生氧化作用，在生物质表面产生很多的氧化基团，引入大量的氧。在半封闭炭化炉高温(500～900℃)分解气氛下进行控制热分解，制得多功能生物炭。生成的生物炭中会产生大量的醌和羟基，该官能团以电池原理一样存在氧化还原过程，相互之可逆地交换电子。通过阳极极化调节醌类电子受体，加强材料的氧化还原过程，促进了碳材料的生物活性和降解能力，有利于整个体系中存在促进微生物电化学呼吸的氧化还原过程，利于微生物的生长。同时，物质在热分解过程中，其天然赋存的微孔会进一步发展成中孔或大孔，有利于对重金属吸附的同时，对微生物的附着生长也会产生积极影响。
本发明的第二个目的是提供一种由上述的制备方法制备得到的增强土壤自修复的生物炭。
本发明的第三个目的是提供上述的生物炭在增强土壤自修复中的应用。所述的生物炭通过吸附土壤中的重金属和强化微生物的电子传递作用，增强微生物活性，促进土壤自修复。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明的生物炭的制备原料来源广泛，其具有大量的微孔结构和巨大的比表面积，吸附能力较强，其吸附行为可以影响重金属在环境中的迀移、转化、生物生态效应以及受污染的环境介质的控制和修复等过程。施入到土壤后，生物炭能吸附重金属并将其固定在表面，显著降低大多数重金属的生物有效性，同时能改善土壤物理、化学和生物特性，使土壤肥力和作物产量均有一定程度的提高。生物炭相比于高导电性碳材料(焦炭和石墨)在刺激电活性细菌中具有较低的电导率，但生物炭材料内部存在大量不同的孔隙结构，并且材料表面有大量的含氧基团，可以强化生物碳表面大量含有的羧基、羟基和酸酐等多种官能基团以及负载的电荷，比表面积大的特点使其在电子传导作用中更具有优势，这使生物炭表现出的性能更加优异。在弱酸(pH值为1～3)条件下，过氧化氢氧化可以在生物炭中产生大量的醌和羟基，该官能团以电池原理一样存在氧化还原过程，相互之可逆地交换电子。通过阳极极化调节醌类电子受体，加强材料的氧化还原过程，利于微生物厌氧呼吸，增强微生物降解活性，促进了碳材料的生物活性和降解能力。因此，本发明的生物炭既能作为吸附材料，吸收土壤中大量的污染重金属的作用，同时，它还可以加速电活性微生物的生长，促进对有机化合物等的污染的降解，缓解生态环境不利影响的局面。
2、本发明生产成本低、产量高、工艺简单、生产过程可控和环境友好的特点，所制备的生物炭对重金属吸附效果好，有利于功能微生物的生长，提高微生物的电化学活性，能对重金属染污水体、土壤修复效果可期。
附图说明
图1为生物炭加入前后，电活性微生物的浓度变化。
图2为重金属污染土壤经生物炭处理以后，土壤里重金属Cr含量的变化。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1
一种增强土壤自修复的生物炭的制备方法，包括以下步骤：将秸秆用去离子水浸泡2h，在120℃烘干，使用破碎机粉碎成粉末状，取10kg秸秆粉末置于浓度为8g/L，pH值为3的10L过氧化氢溶液中浸泡72h。然后过滤，用10L的水洗涤至中性，然后烘干，得到处理后的生物质；将处理后的生物质置于半封闭炭化炉中，在900℃高温下分解炭化，炭化时间为24h，加热升温速度不要太快，热解升温速度设定在15℃/分钟，热解结束后自然冷却到室温，得到碳材料，将碳材料用0.01mol/L稀盐酸浸泡2h，去除里边多余的金属等杂质，然后用去离子水清洗3遍，在烘箱中120℃烘干制备得到生物炭，将生物炭过滤，去掉大颗粒，得到10-30目的生物炭。
本实施例制备的多功能化生物炭，其中的N、O、C元素的质量分数分别为3％，22％，72％，其他可能还含有S或者P等元素，这不在我们的研究范畴，就不举例。经检测，生物炭表面的酸性含氧官能团为1.5mmol/g，说明生物炭的O含量高，其表面有大量的含氧基团。
采用多功能化生物炭原位修复重金属污染土壤的方法的具体步骤是：将空气相对湿度为70％的重金属土壤与上述制得的生物炭混合，陈华20天。其中生物炭与重金属土壤的质量比为1:100，土壤的质量为1000kg。以没有加入生物炭陈化处理的重金属土壤为对照。在陈化期满后取样，对土壤中的电活性微生物进行分析，比较两种土壤中电活性微生物含量的差异；将土壤干燥后对金属进行提取，比较经生物炭陈化处理后的土壤提取出来的金属含量与没有进行生物炭陈化处理的土壤提取出来的金属含量差异，主要是Cr、Pb和Hg等。结果表明：与没有进行生物炭陈化处理的土壤中的电活性微生物含量比较，经本发明生物炭陈化处理的土壤中的电活性微生物的含量显著提高3倍(图1)，本研究主要集中在重金属Cr为主要研究对象，最终结果显示，本发明生物炭对重金属土壤中的Cr的去除效率达到71％(图2)。
实施例2
一种增强土壤自修复的生物炭的制备方法，包括以下步骤：将木屑用去离子水浸泡2h，在120℃烘干，使用破碎机粉碎成粉末状，取10kg木屑粉末置于浓度为3g/L，pH值为1的10L过氧化氢溶液中浸泡24h。然后过滤，用10L的水洗涤至中性，然后烘干，得到处理后的生物质；将处理后的生物质置于半封闭炭化炉中，在500℃高温下分解炭化，炭化时间为36h，加热升温速度不要太快，热解升温速度设定在25℃/分钟，热解结束后自然冷却到室温，得到碳材料，将碳材料用0.01mol/L稀盐酸浸泡3h，去除里边多余的金属等杂质，然后用去离子水清洗3遍，在烘箱中120℃烘干制备得到生物炭，将生物炭过滤，去掉大颗粒，得到10-30目的生物炭。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种增强土壤自修复的生物炭的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将生物质原料置于浓度为3～8g/L，pH值为1～3的过氧化氢溶液中浸泡24～72h，用水洗涤至中性，干燥后置于半封闭炭化炉中在500～900℃高温下分解炭化，炭化时间为24～36h，得到碳材料，将碳材料用稀盐酸浸泡，经水洗、烘干后制备得到生物炭。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的生物质原料包括秸秆、麦秆、木屑、木材或果皮。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的用稀盐酸浸泡是用0.01mol/L的稀盐酸浸泡2～3h。
4.权利要求1所述的制备方法制备得到的增强土壤自修复的生物炭。
5.权利要求4所述的生物炭在增强土壤自修复中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的生物炭通过吸附土壤中的重金属和强化微生物的电子传递作用，增强微生物活性，促进土壤自修复。
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