利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，以水生植物空心蓮子草或水葫蘆為原料制備成生物炭，再以1～20g/L的投加量加入到鉛污染水體中，吸附去除鉛。該方法制備的生物炭來源豐富、制備方法簡便、并能高效去除水體中鉛，具有較大的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益。
【專利說明】利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明環(huán)境工程【技術領域】，具體涉及利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法。
【背景技術】
[0002]廢水中的金屬離子如鉛、鋅、鎳等離子等對人體健康有毒害作用。我國許多工廠每年都排出大量的低濃度鉛污染廢水，有許多未經(jīng)妥善處理即泄入江河，給環(huán)境帶來極大的危害，這已引起了人們的高度重視。對鉛離子的去除方法很多，如沉淀法、離子交換法、膜分離方法、吸附法等。吸附法由于占地面積小、操作簡單、無二次污染等優(yōu)點，特別適用于處理低污染重金屬廢水。目前，最常用作吸附劑的材料為活性炭和生物吸附劑。但是，活性炭價格昂貴，不適于處理大范圍的鉛污染水體。而生物吸附劑雖然成本較低，但對重金屬廢水的治理效果較差，因此，尋去成本低廉、吸附效果好的吸附劑就很關鍵。
[0003]生物炭(biochar)是富含碳的生物質(zhì)通過熱裂解的方法在缺氧或者少氧的條件下制備而成的一種富有孔隙結構、含碳量高的碳化物質(zhì)。生物炭屬于廣義概念上黑炭(black carbon)的一種類型。其制備原料來源廣泛，農(nóng)林業(yè)廢棄物如木材、稻桿、果殼及工業(yè)和城市生活中產(chǎn)生的有機廢棄物如垃圾、污泥都可以作為原料。生物炭具有疏松多孔的結構，比表面積巨大，生物炭表面帶有大量負電荷和較高的電荷密度，有利于吸附水體和土壤中的有機污染物及重金屬。生物炭具有的高度芳香化結構，使其與其他任何形式的有機碳相比具有更高的生物化學和熱穩(wěn)定性，不易被礦化，可長期保存于環(huán)境和古沉積物中，被認為是穩(wěn)定的CO2儲庫。因此，介于生物炭原料來源豐富廣泛、制備方法簡單、成本低廉、對有機污染物及重金屬吸附能力強等優(yōu)點，生物炭近些年受到越來越多的關注及研究。
[0004]水生植物如空心蓮子草、水花生等，生命力強，適應性廣，生長繁殖迅速，成為堵塞渠港、侵占耕地和水面的惡性水草。水生植物空心蓮子草的莖段曝曬I?2天仍能存活；未經(jīng)腐熟或未被家畜消化的莖段進入農(nóng)田后會造成再次危害。而人工防除的方法不僅不能防除空心蓮子草，反而會加重空心蓮子草的蔓延和擴散。與傳統(tǒng)的水生植物處理方法(現(xiàn)場焚燒或農(nóng)藥去除等)相比，將水生植物制備成生物炭，方法簡單易行，原材料產(chǎn)量巨大。生物炭不僅可以用來吸附水體和土壤中污染物質(zhì)，還可以用來改良土壤、緩解溫室效應，實現(xiàn)了水生植物的資源化利用，具有較大的經(jīng)濟、社會及生態(tài)效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術問題，在于將水生植物資源化利用，制備成生物炭后高效處理廢水中的鉛。
[0006]為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0007]利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，以水生植物空心蓮子草或水葫蘆為原料制備成生物炭，再以I?20g/L的投加量加入到鉛污染水體中，吸附去除鉛。
[0008]其中，所述的生物炭按如下步驟制備得到:[0009](I)原材料的準備:采集水生植物空心蓮子草或水葫蘆，洗凈、風干、剪碎；
[0010](2)生物炭的制備:將剪碎的水生植物300?700°C限氧熱解I?4小時，隨后過篩、清洗、烘干、保存，制得水生植物生物炭。
[0011]步驟(I)中，剪碎成2?5cm小段,優(yōu)選2?3cm小段。
[0012]步驟(2)中，過篩時先后過18目篩和35目篩，只保留直徑在0.5?Imm之間的生物炭。
[0013]步驟(2)，優(yōu)選將剪碎的水生植物壓實，550?650°C限氧熱解1.5?2.5小時。
[0014]步驟(2)中，烘干溫度優(yōu)選60?80°C。
[0015]其中，投加量優(yōu)選9?llg/L。
[0016]其中，鉛污染水體在投加生物炭之前，污染水體中鉛的濃度控制在100?IOOOmg/
L0
[0017]其中，鉛污染水體在投加生物炭之前，污染水體的pH值控制在2?8，優(yōu)選4.5?
6.5o
[0018]其中，投加生物炭后，反應Imin?24h，2?24h。
[0019]其中，優(yōu)選以水生植物空心蓮子草為原料制備成生物炭。
[0020]有益效果:本發(fā)明具有以下顯著特點及效果:
[0021]1.制備生物炭的原材料來源廣、成本低廉，制備方法簡單易行。
[0022]2.將水生植制備成生物炭后，不僅可以減輕其對生態(tài)環(huán)境的破壞，而且還可以吸附水體污染物，實現(xiàn)了水生植物的資源化利用。
[0023]3.水生植物生物炭對鉛的吸附效果顯著，遠高于其他吸附劑。而且方便回收，不會
產(chǎn)生二次污染。
[0024]4.本方法制備的水生植物生物炭不僅可以去除鉛，對其他有機污染物也有一定的去除能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1工藝流程圖；
[0026]圖2空心蓮子草生物炭SEM圖；
[0027]圖3鉛溶液濃度變化對空心蓮子草及水葫蘆生物炭吸附量的影響；
[0028]圖4不同接觸時間對空心蓮子草生物炭吸附量的影響；
[0029]圖5不同初始pH對空心蓮子草生物炭吸附量的影響；
[0030]圖6空心蓮子草生物炭投加量對生物炭吸附量的影響。
【具體實施方式】
[0031]根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的內(nèi)容僅用于說明本發(fā)明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發(fā)明。
[0032]實施例1:
[0033]將水生植物空心蓮子草洗凈后自然風干，隨后剪成2cm左右小段。
[0034]將水生植物置于電爐中300°C限氧熱解2h，自然冷卻至室溫后取出。過18目篩和35目篩，只保留直徑在0.5?Imm之間的生物炭，用超純水洗凈，放于烘箱中60°C烘干，制得生物炭。
[0035]制得的生物炭，按投加量3g/L，對pH為5的鉛溶液進行吸附，反應時間為24小時。
[0036]混合液過0.22 μ m濾膜，過濾液加酸后測定濾液中重金屬含量。
[0037]本實施例得到的生物炭產(chǎn)率為47.1%。對鉛的吸附量為223.30mg/g,對700mg/L的鉛溶液去除率超過95%。
[0038]實施例2:
[0039]其他條件不變，將實施例1中的熱解溫度改為600°C，以同樣方法制備水葫蘆生物炭進行吸附實驗。
[0040]本實施例得到的空心蓮子草生物炭產(chǎn)率為29.8%，如圖3所示，鉛濃度為500ppm時，生物炭對鉛的吸附量為206.19mg/g，并且隨著鉛濃度的增加，生物炭的吸附量繼續(xù)增大。對100mg/L的鉛溶液去除率為99%。對50mg/L的鉛溶液去除率在99%以上，基本完全去除，達到一級排放標準。本實施例得到的水葫蘆生物炭產(chǎn)率為33.7%，鉛濃度為500ppm時，生物炭對鉛的吸附量為117.35mg/g。對IOOppm的鉛溶液去除率為99%。對50mg/來的鉛溶液去除率在99%以上，基本完全去除鉛，達到一級排放標準。
[0041]實施例3:
[0042]其他條件不變，將實施例2中的吸附時間改為lmin_24h，溶液濃度為600ppm。
[0043]本實施例得到的空心蓮子草生物炭，在不同時間對鉛的吸附量結果如圖4所示:在初始階段，生物炭對鉛的吸附量隨時間的增加而急劇上升，在反應15min時，吸附量便達到平衡吸附量的80%，隨后上升趨勢趨于平緩，在6h時，基本都達到吸附平衡，在600ppm溶液中，其平衡吸附量為205.4mg/g，與實施例1中的結果吻合。
[0044]實施例4:
[0045]其他條件不變，將實施例3中的鉛溶液初始pH調(diào)節(jié)為分別調(diào)節(jié)為2-8。
[0046]本實施例得到的空心蓮子草生物炭，對鉛的吸附量結果如圖5所示:在鉛溶液濃度為600ppm，投加量為2.5g/L時，pH值的變化對生物炭的吸附量會有影響。在pH值為5時，生物炭對鉛的吸附量最大，可達225.34mg/g。pH〈5時，吸附量隨pH增大而增大，pH>5時，吸附量隨pH值增大而減小。因此，在此條件下進行鉛吸附時，鉛溶液最佳pH為5。
[0047]實施例5:
[0048]其他條件不變，將實施例2中的生物炭投加量改為I?10g/L，溶液中Pb2+初始濃度為 800ppm。
[0049]生物炭對鉛的吸附量隨生物炭投加量的變化而變化，如圖6所示:生物炭投加量在3.5g/L以下時，生物炭投加量越多，對鉛的吸附量越大，投加量在3.5g/L以上時，生物炭的吸附量基本達到飽和，因此，理論上生物炭的最佳投加量為3.5g/L。溶液中Pb2+初始濃度為800ppm，生物炭投加量為4g/L，去除率為98.2%，則生物炭對Pb2+的吸附量為226.3mg/g，與實施例1的結果基本一致。
[0050]實施例6:
[0051]其他條件不變，將實施例2中的熱解時間改為3h，溶液溶液中Pb2+初始濃度為IOOOppm,生物炭投加量為4g/L。
[0052]本實施例得到的生物炭產(chǎn)率為39%，對鉛的吸附量為251.07mg/g,對1000mg/L的鉛溶液去除率為99%，基本完全去除，達到一級排放標準。
【權利要求】
1.利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，以水生植物空心蓮子草或水葫蘆為原料制備成生物炭，再以I?20g/L的投加量加入到鉛污染水體中，吸附去除鉛。
2.根據(jù)權利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，所述的生物炭按如下步驟制備得到: (O原材料的準備:采集水生植物空心蓮子草或水葫蘆，洗凈、風干、剪碎； (2)生物炭的制備:將剪碎的水生植物300?700°C熱解I?4小時，隨后過篩、清洗、烘干、保存，制得水生植物生物炭。
3.根據(jù)權利要求2所述的利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，步驟(I)中，剪碎成2?5cm小段。
4.根據(jù)權利要求2所述的利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，步驟(2)中，過篩時先后過18目篩和35目篩，只保留直徑在0.5?Imm之間的生物炭。
5.根據(jù)權利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，鉛污染水體在投加生物炭之前，污染水體中鉛的濃度控制在100?1000mg/L。
6.根據(jù)權利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，鉛污染水體在投加生物炭之前，污染水體的pH值控制在2?8。
7.根據(jù)權利要求1所述的利用水生植物生物炭去除污染水體中鉛的方法，其特征在于，投加生物炭后，反應Imin?24h。
【文檔編號】B01J20/30GK103801262SQ201410091590
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權日:2014年3月13日
【發(fā)明者】肖 琳, 楊玉, 楊柳燕, 張小龍 申請人:南京大學