CN112547006A - 羊粪生物炭及其在重金属吸附中的应用 - Google Patents

羊粪生物炭及其在重金属吸附中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提出了羊粪生物炭及其在重金属吸附中的应用，所述羊粪生物炭对Pb2+、Cu2+和Cd2+的最大吸附容量分别为9～26mg·L‑1、7～19mg·L‑1、1～4mg·L‑1。本发明的羊粪生物炭可以高效吸附重金属，使羊粪得到资源化利用，赋予其较高的应用价值。

Description

羊粪生物炭及其在重金属吸附中的应用
技术领域
本发明涉及生物化工领域。具体地，本发明涉及羊粪生物炭及其在重金属吸附中的应用。
背景技术
由于重金属具有不可降解性，对人类和其他生物具有显著的毒害作用，使得它成为了环境安全中日益关注的焦点。重金属来源广泛，种类繁多，即使在非常低的浓度都可危害人类健康，并具有蓄积作用，因此对环境中重金属的处理成为了一个迫切的话题。
目前有很多工艺被用来处理废水中的重金属，包括化学沉淀法、离子交换法、混凝和絮凝法、络合法、膜过滤法、生物吸附法和物理吸附法。其中生物炭技术已经得到越来越多的关注。生物炭具有致密的微孔结构、巨大的比表面积和有序的芳香结构，表面还富含含氧基团，可以吸收重金属离子，其吸附机理主要包括物理吸附、静电吸引、离子交换反应、络合作用、沉淀复合和化学还原等。
然而，目前生物炭的性能及获得方法仍有待研究。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中存在的技术问题至少之一。
为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种羊粪生物炭。根据本发明的实施例，所述羊粪生物炭对Pb2+、Cu2+和Cd2+的最大吸附容量分别为9～26mg·L-1、7～19mg·L-1、1～4 mg·L-1。由此，根据本发明实施例的羊粪生物炭可以高效吸附重金属，使羊粪得到资源化利用，赋予其较高的应用价值。
根据本发明的实施例，所述羊粪生物炭还可以具有下列附加技术特征：
根据本发明的实施例，所述羊粪生物炭的灰分含量为9～15质量％。生物炭表面的灰分有利于生物炭对重金属的吸附和离子交换作用。
根据本发明的实施例，所述羊粪生物炭的氧元素和碳元素的质量比为0～1.5，氢元素和碳元素的质量比为0.01～0.1，总表面含氧量为0.5～8mmol/g。由此，根据本发明实施例的羊粪生物炭的芳香性和极性越强，并且，富含丰富的含氧官能团，有利于对重金属的吸附。
根据本发明的实施例，所述羊粪生物炭呈碱性，总矿物元素含量为40～75mg/g。羊粪生物炭中部分矿物质是以氢氧化物的形式存在的，使得生物炭呈碱性，而氢氧化物可以与重金属离子结合生成重金属沉淀，有利于对重金属离子的沉淀吸附。同时，碱金属元素可以与重金属离子发生沉淀和离子交换作用，对羊粪生物炭金属的吸附作出贡献。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种获得前面所述羊粪生物炭的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：将羊粪进行热解处理，以便得到所述羊粪生物炭，其中，所述热解处理的温度为300～800℃，时间为60～100分钟。由此，根据本发明实施例的方法所获得的羊粪生物炭可以高效吸附重金属，使羊粪得到资源化利用，赋予其较高的应用价值。
根据本发明的实施例，进行所述热解处理之前，预先将羊粪进行粉碎及烘干处理，以便得到羊粪粉末。由此，便于使热解反应充分发生，获得具有高重金属吸附性能的羊粪生物炭。
根据本发明的实施例，所述粉碎后颗粒的粒径不大于2毫米，所述烘干处理是在80～120℃下进行20～28小时。由此，便于使热解反应充分发生，获得具有高重金属吸附性能的羊粪生物炭。
根据本发明的实施例，将所述羊粪粉末以10℃/min的升温速度升至300～800℃，以便进行所述热解处理。由此，便于使热解反应充分发生，获得具有高重金属吸附性能的羊粪生物炭。
根据本发明的实施例，所述方法进一步包括：将经过所述热解处理的产物过0.2～0.8毫米筛，然后使用0.5～1.5mol/L盐酸溶液洗涤至洗涤液的pH值保持不变。由此，通过过筛以便使羊粪生物炭更加细化，经过酸溶液洗涤，以去除羊粪生物炭中的碱金属元素。
在本发明的又一方面，本发明提出了前面所述羊粪生物炭在制备重金属吸附剂中的用途。如前所述，根据本发明实施例的羊粪生物炭可以高效地吸附重金属，作为重金属吸附剂使用，具有较高的应用前景。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种重金属吸附剂。根据本发明的实施例，所述重金属吸附剂含有前面所述的羊粪生物炭。如前所述，根据本发明实施例的羊粪生物炭可以高效地吸附重金属，作为重金属吸附剂使用，具有较高的应用前景。
在本发明的又一方面，本发明提出了一种吸附重金属的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：将前面所述羊粪生物炭与含有重金属的样品接触，使所述羊粪生物炭吸附出重金属。如前所述，根据本发明实施例的羊粪生物炭可以高效地吸附重金属，由此，可以起到净化、除杂等目的，并且，操作简便、快捷，具有广泛的应用前景。
需要说明的是，本发明对于样品的种类不作严格限定，可以为废水、污泥、土壤等，具体可以根据实际情况灵活选择。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1显示了根据本发明一个实施例的添加不同热解温度下得到的羊粪生物炭后混合重金属溶液的pH变化示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的不同热解温度下得到的羊粪生物炭对混合重金属溶液中Pb、Cu、Cd的吸附量影响分析示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
1、生物炭的制备
羊粪收集于衡水志豪畜牧科技有限公司的牧场。收集的羊粪风干一周，然后使用粉碎机粉碎成<2.0mm的粉末，最后在100℃下烘干24h。羊粪粉末装在热解炉的不锈钢钢管中并处于N2的条件下，设定热解温度分别为300℃、500℃和800℃，升温速度为 10℃·min-1，恒温热解90min，最后自然冷却到室温。根据热解温度，将300℃、500℃和800℃下制备的羊粪生物炭简称为羊粪300、羊粪500和羊粪800(下同)。所有的生物炭样品在使用前均过0.5mm的筛，使用1mol·L-1HCl溶液去除羊粪生物炭的矿物元素，每种羊粪生物炭酸洗三次，然后用蒸馏水洗涤，直到液体的pH保持值恒定，得到去离子羊粪生物炭。
2、不同热解温度下羊粪生物炭物理化学性质的评价
实验评价了不同热解温度下羊粪生物炭的物理化学性质指标，包括生物炭产率、pH值、灰分含量、产气量(CO、CO2)、矿物元素含量(K、Ca、Na、Mg、Al、Fe)、非金属元素分析(C、H、O、N、S、H/C、O/C、(O+N)/C)、表面含氧官能团(RCOOH、RCOOCOR、ROH)。羊粪生物炭的产率为热解后与热解前羊粪的质量之比。羊粪生物炭的pH值在羊粪生物炭：水＝1：20的条件下测定。羊粪生物炭的灰分含量为其在800℃恒定温度下的马弗炉中热解直到剩余质量恒定时的质量。金属元素含量采用电感耦合等离子体对羊粪生物炭酸洗液进行测定。通过元素分析(Elementar Analysen Systeme GmbH,Germany)测定了羊粪生物炭的C、H、N含量。羊粪生物炭表面官能团通过傅里叶变换红外光谱进行分析和定量。
3、吸附实验
为了测定不同热解温度下制备的羊粪生物炭对废水中混合重金属的去除能力，本研究设计了批量吸附实验，将100～800℃下制备的羊粪生物炭分别加入至混合重金属溶液中，测定加入前后溶液pH值和重金属离子浓度的变化。混合重金属溶液通过称取特定质量的 Pb(NO3)2、Cu(NO)2·5H2O、Cd(NO3)2·3H2O配制而成，每种重金属离子的浓度均为100mg·L-1，在室温条件下，将6g的羊粪生物炭与150mL的混合重金属溶液在250mL的蓝盖玻璃瓶中混合，在150rpm的摇床中振荡24小时达到平衡状态，然后使用0.45μm注射过滤器过滤，测定滤液pH值的变化，最后采用电感耦合等离子体测定滤液中Pb、Cu、Cd 离子的残余浓度，通过吸附前后重金属溶液的浓度差来评估不同热解温度下的羊粪生物炭对重金属的去除能力。各实验重复三次，取平均值为最终结果，用描述性统计方法得到标准偏差。
4、不同机制对羊粪生物炭重金属吸附的贡献
本研究就不同机制对羊粪生物炭重金属吸附的贡献进行了修正，进一步细化了羊粪生物炭中的矿物质对重金属吸附的贡献。羊粪生物炭对重金属的吸附机制可归因于矿物质作用和非矿物质作用，其中矿物质作用主要包括矿物离子交换作用和矿物质的沉降作用；非矿物质作用主要为表面含氧官能团的络合作用等。其他潜在机制例如矿物离子与氧化物(如 Al/Fe/Mn-OH、Al/Fe/Mn-O-M)形成内球体表面复杂结构等对重金属吸附能力的贡献很小，故在本文中未涉及。吸附贡献的计算方法如下：
(1)通过1mol·L-1HCl溶液对生物炭进行脱矿处理，可去除掉生物炭中大部分的矿物质，但生物炭表面含氧官能团不会被改变。在本研究中，去离子羊粪生物炭溶液中没有检测到矿物离子(K+、Ca2+、Na+、Mg2+)，这意味着脱矿后，羊粪生物炭中残余矿物质对重金属的吸附作用可以忽略不计。因此，脱矿前后羊粪生物炭对重金属的吸附差值可以归因于被移出的矿物离子对吸附做出的贡献。计算出经过脱矿处理的产率Y后，由于羊粪生物炭矿物质作用而被吸附的重金属量(Qcm)可由下式计算：
Qcm＝Qt–Qd×Y
其中，Qcm(mg·g-1)代表羊粪生物炭中由于矿物质作用吸附的重金属量，Qt(mg·g-1) 代表羊粪生物炭对重金属的吸附总量，Qd(mg·g-1)代表去离子羊粪生物炭对重金属的吸附量即非矿物质作用对重金属的吸附量，Y代表去离子羊粪生物炭的产率。
(2)羊粪生物炭在重金属溶液中释放的矿物离子(主要是K+、Ca2+Na+和Mg2+)与去离子水中释放的矿物离子差值，即为与重金属离子发生离子交换而被释放的离子量。因此，通过测定重金属吸附前后水溶液中碱金属离子差值可以确定矿物离子交换作用对重金属吸附的贡献。离子交换引起重金属吸附量(Qcme)可以被定义为碱阳离子交换量的总和，计算式如下：
Qcme＝QK+QCa+QNa+QMg
其中，QK、QCa、QNa、QMg分别代表羊粪生物炭重金属吸附前后K+、Ca2+Na+和Mg2+的净释放量，计算过程中使用mEq·l-1对单位进行归一化处理。
(3)矿物质对重金属的作用是离子交换和矿物沉淀共同作用的结果，因此矿物沉淀 (Qcmp)产生的重金属吸附量可以通过Qcm和Qcme值的差值来计算：
Qcmp＝Qcm-Qcme
(4)此外，利用Qcme/Qt、Qcmp/Qt、Qd/Qt比值计算了不同机制对重金属吸附的贡献率。
5、结果
(1)不同热解温度下羊粪生物炭的物理化学性质
产品产率是生物炭制备的一个重要指标。表1总结了不同热解温度下羊粪生物炭的产率，结果显示，随着热解温度从300℃升高至800℃，羊粪生物炭的产率从79.94％下降至64.02％。生物质的主要成分通常由半纤维素、纤维素和木质素组成，经过对热解过程的研究发现，在200～300℃时半纤维素开始分解，该温度段生物质量减少最多，在325～400℃时纤维素开始分解，而木质素在较高的温度下才发生分解，温度范围为300～550℃。因此，热解温度越高，生物质的降解率越高，生物炭产量越低，300℃时，羊粪的热解产率最高。
一般来说，随热解温度升高，生物炭的pH值增加。在200～300℃时，半纤维素分解并产生有机酸和酚类物质。超过300℃时，碱金属盐类从有机质中分离出来，增加了生物炭pH值。在本实验中，随着热解温度由300℃升高至800℃，羊粪生物炭的pH值急剧增加至11.72，说明羊粪800具有较强的碱性(见表1)。
羊粪中含有多种矿物质元素，如K、Ca、Na、Mg、Al等。在热解过程中，生物质有机酸分解和碳化释放出灰分中的碱盐，这些矿物质被转化为氢氧化物(如KOH、Ca(OH)2、 Mg(OH)2、NaOH)使得生物炭变为碱性，羊粪生物炭的高pH值是其高矿物质含量造成的，羊粪生物炭中的高氢氧化物可以与重金属离子结合生成重金属沉淀，有利于对水溶液中重金属离子的沉淀吸附。由于热解过程中纤维素、半纤维素、木质素的分解，使矿物质元素相对含量增加，当热解温度从300℃升高至800℃时，总矿物元素相对含量从43.4mg·g-1增加到71.1mg·g-1。结果表明，热解温度越高，羊粪生物炭的矿物元素含量越高，羊粪800 具有最高的矿物元素含量。
当热解温度从300℃升高至800℃时，羊粪生物炭的灰分含量从9.4％增加到14.1％。在元素组成方面，羊粪生物炭的C含量随着热解温度的升高而增加，在800℃达到最高 (18.9％)。羊粪800有较低的H含量(0.24％)和O含量(0.08％)，这是由于在高温热解过程中水和烃类的分解造成的(如表1)。碳化程度的主要参数O/C和H/C的比值，通常用于描述生物炭中有机化合物的芳香性和极性。当热解温度从300℃升高至800℃时，羊粪生物炭的O/C和H/C值分别从1.07下降到0.00、从0.10下降到0.01，这表明热解温度越高，羊粪生物炭的芳香性和极性越强。
此外，羊粪300中高的O/C和H/C比值表明羊粪300含有丰富的含氧官能团。如表1所示，羊粪300的总表面含氧量(7.78mmol·g-1)是羊粪800(0.63mmol·g-1)的10倍，这是因为在较高热解温度下，表面含氧官能团分解产生CO和CO2而使总表面含氧量随热解温度的升高而急剧降低。
表1不同热解温度下羊粪生物炭的物理化学性质
Figure RE-GDA0002278561500000061
Figure RE-GDA0002278561500000071
(2)不同热解温度下羊粪生物炭的重金属吸附能力
图1显示了添加100～800℃下制备的羊粪生物炭后混合重金属溶液的pH变化。由于 Pb、Cu和Cd在生活污水中的毒性和检测频率最高，所以将它们作为目标重金属。这些重金属的起始离子浓度分别为100mg·L-1，混合溶液的初始pH值为6.25，羊粪生物炭的加入增加了混合溶液的pH值，且呈现随着热解温度的升高pH增加程度变大的趋势。
图2显示了热解温度为100～800℃时得到的羊粪生物炭对混合重金属溶液中Pb、Cu、 Cd的吸附量。如图2所示，对Pb、Cu和Cd吸附能力最强的均为羊粪800，其对Pb2+、 Cu2+和Cd2+的最大吸附容量分别为25.9mg·L-1、18.1mg·L-1、3.2mg·L-1，继而其具有最大的总吸附量为47.20mg·L-1(见表2)。通过相同样品对不同重金属吸附量的对比，羊粪生物炭对Pb2 +和Cu2+的吸附能力显著高于Cd2+。一般情况下，随着热解温度的升高，重金属吸附量增加，但表2结果显示，羊粪300对重金属的吸附能力高于羊粪500，羊粪300的总重金属吸附量为37.30mg·L-1，而羊粪500仅为28.89mg·L-1，推测是由于羊粪300含有丰富的含氧官能团，有利于其对重金属的络合作用。综上所述，对不同温度下制备的羊粪生物炭的重金属吸附机理分别进行讨论，羊粪300因含有丰富的含氧官能团有利于其对重金属的络合，但羊粪800具有较高的pH值、矿物含量、灰分、芳香性和极性，这些均有利于羊粪800对重金属的沉淀作用和矿物离子交换作用，使其具有最强的重金属去除能力。
表2不同热解温度下得到的羊粪生物炭对混合重金属溶液的总吸附量
热解温度/℃ 总吸附量/(mg·L<sup>-1</sup>)
100 18.34
200 27.81
300 37.30
400 33.27
500 28.89
600 35.60
700 42.68
800 47.20
(3)不同热解温度下羊粪生物炭的重金属去除机理及其贡献率
根据在羊粪生物炭和去离子羊粪生物炭上的重金属吸附，可以用材料和方法中描述的方法计算不同机理对重金属吸附的贡献。根据以往研究中生物炭对重金属去除机理的描述，其机理可以归纳为：(1)沉降作用：生物炭中的PO3 2-和CO3 2-对重金属的沉降起到重要作用，生物炭的高pH值也可促进重金属氢氧化物沉淀的生成。(2)矿物离子交换作用：生物炭中的Ca2+、Mg2+、K+、Na+等矿物离子可与重金属离子交换。(3)静电引力作用：生物炭表面的负电荷可以与带正电荷的重金属相互作用。(4)物理吸附作用：生物炭表面孔隙及增大的比表面积对重金属具有吸附作用。(5)络合作用：生物炭表面的含氧官能团 (O-H、C＝O、C-O)可以与重金属发生络合作用。本文主要对羊粪生物炭表面矿物质与官能团对重金属的化学吸附作用进行分析，研究羊粪生物炭对重金属的化学吸附机理及各机理贡献。不同热解温度下羊粪生物炭矿物离子交换作用(Qcme)、矿物质的沉降作用(Qcmp) 与非矿物质作用(Qd)的贡献总值列于表3。
羊粪生物炭对重金属的吸附中，矿物质作用Qcm对重金属吸附总量Qt的贡献均超过84％，其中羊粪800的矿物质作用占比Qcm/Qt最高，为98.0％，因此，与矿物质的相互作用是羊粪生物炭吸附重金属的主要因素，且其贡献率随热解温度的升高而增大。在矿物质作用中，羊粪800的矿物沉淀量Qcmp对重金属吸附总量的占比Qcmp/Qt为94.7％，矿物离子交换量Qcme对重金属吸附总量的占比Qcme/Qt仅为3.3％，而羊粪300的矿物离子交换量Qcme对重金属吸附总量的占比Qcme/Qt高达46.7％，因此，在热解温度为300℃时，矿物离子交换作用是矿物质作用中的主要因素，随着热解温度升高，矿物沉降作用逐渐成为矿物质作用中的主要因素。根据不同机制对重金属吸附的贡献率可以得出，矿物离子交换作用和沉降作用是羊粪生物炭吸附重金属的两种主要机制，随着热解温度的升高，矿物离子交换作用对重金属吸附的贡献逐渐转变为沉降作用对其的贡献。
表3不同热解温度下羊粪生物炭对重金属吸附机理和对总吸附的贡献
Figure RE-GDA0002278561500000081
结论：
(1)研究讨论了不同热解温度下羊粪生物炭的物理化学性质。300℃热解温度下制备的羊粪生物炭具有最高的产量和表面含氧官能团；800℃下制备的羊粪生物炭具有最高的 pH值、矿物元素含量、灰分含量、芳香性和极性。
(2)评价了不同热解温度下羊粪生物炭对废水中重金属的去除效果。800℃热解温度下制备的羊粪生物炭对废水中Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附容量最大，分别为25.9mg·g-1、18.1mg·g-1、3.2mg·g-1，300℃次之，而500℃下制备的羊粪生物炭吸附容量最低。
(3)通过吸附实验和机制贡献率的计算得到热解温度对羊粪生物炭的重金属吸附容量和吸附机制的影响很大。随着热解温度的升高，矿物质作用的贡献率显著增加，非矿物质作用由于含氧官能团的分解对重金属吸附的贡献率降低，为(2)中结果提供合理解释。羊粪生物炭的Qcm值(Qcmp+Qcme)占其Qt值的84.4％～98.0％，说明重金属与矿物质之间的相互作用是羊粪生物炭吸附重金属的主要机制。
因此，综合考虑，800℃热解温度下制备的羊粪生物炭被认为是最有效的重金属吸附剂。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种羊粪生物炭，其特征在于，所述羊粪生物炭对Pb2+、Cu2+和Cd2+的最大吸附容量分别为9～26mg·L-1、7～19mg·L-1、1～4mg·L-1。
2.根据权利要求1所述的羊粪生物炭，其特征在于，所述羊粪生物炭的灰分含量为9～15质量％。
3.根据权利要求1所述的羊粪生物炭，其特征在于，所述羊粪生物炭的氧元素和碳元素的质量比为0～1.5，氢元素和碳元素的质量比为0.01～0.1，总表面含氧量为0.5～8mmol/g。
4.根据权利要求1所述的羊粪生物炭，其特征在于，所述羊粪生物炭呈碱性，总矿物元素含量为40～75mg/g。
5.一种获得权利要求1～4任一项所述羊粪生物炭的方法，其特征在于，包括：
将羊粪进行热解处理，以便得到所述羊粪生物炭，
其中，所述热解处理的温度为300～800℃，时间为60～100分钟。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进行所述热解处理之前，预先将羊粪进行粉碎及烘干处理，以便得到羊粪粉末；
任选地，所述粉碎后颗粒的粒径不大于2毫米，所述烘干处理是在80～120℃下进行20～28小时；
任选地，将所述羊粪粉末以10℃/min的升温速度升至300～800℃，以便进行所述热解处理。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将经过所述热解处理的产物过0.2～0.8毫米筛，然后使用0.5～1.5mol/L盐酸溶液洗涤至洗涤液的pH值保持不变。
8.权利要求1～4任一项所述羊粪生物炭在制备重金属吸附剂中的用途。
9.一种重金属吸附剂，其特征在于，含有权利要求1～4任一项所述的羊粪生物炭。
10.一种吸附重金属的方法，其特征在于，包括：
将权利要求1～4任一项所述羊粪生物炭与含有重金属的样品接触，使所述羊粪生物炭吸附出重金属。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104226250A (zh) * 2014-09-26 2014-12-24 四川农业大学 一种重金属铜和镉生物炭吸附剂的制备方法及其产品
CN106219762A (zh) * 2016-08-25 2016-12-14 西南科技大学 一种将生物碳用于人工湿地处理重金属废水的方法
CN109879352A (zh) * 2019-03-15 2019-06-14 农业农村部环境保护科研监测所 一种利用鸡粪生物炭吸附去除废水中镉离子的方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104226250A (zh) * 2014-09-26 2014-12-24 四川农业大学 一种重金属铜和镉生物炭吸附剂的制备方法及其产品
CN106219762A (zh) * 2016-08-25 2016-12-14 西南科技大学 一种将生物碳用于人工湿地处理重金属废水的方法
CN109879352A (zh) * 2019-03-15 2019-06-14 农业农村部环境保护科研监测所 一种利用鸡粪生物炭吸附去除废水中镉离子的方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张建强: "羊粪生物炭对水体中诺氟沙星的吸附特性", 《环境科学学报》 *
韩鲁佳: "生物炭吸附水体中重金属机理与工艺研究进展", 《农业机械学报》 *

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