本技术公开了一种铁改性牛粪生物炭材料及其制备方法与应用,属于新材料和资源循环再利用技术领域。本发明将牛粪固废生物质原料置于K<subgt;2</subgt;FeO<subgt;4</subgt;溶液中浸渍水浴加热再烘干得到K<subgt;2</subgt;FeO<subgt;4</subgt;复合生物质材料,再于管式炉内高温碳化得到K<subgt;2</subgt;FeO<subgt;4</subgt;改性牛粪生物炭材料(FCBC)。本发明的K<subgt;2</subgt;FeO<subgt;4</subgt;改性牛粪生物炭材料(FCBC)具有比未改性的牛粪生物炭(CBC)更佳的对于Cd<supgt;2+</supgt;消除处理能力,同时,相对于传统的改性或未改性的植物来源生物炭也具有不可比拟的对于Cd<supgt;2+</supgt;的吸附效果。本发明拓宽了畜禽粪便废弃物的实用场景,实现了粪便无害化、减量化和资源化目标,又可为水土污染防治提供更多优选方案。
背景技术
重金属主要存在于农业土壤、湖泊、河流和地下水中,并且具有不可生物降解、污染范围广、危害性大等特点,对生态环境和人类生命健康构成了严重威胁。通常情况下,重金属难以降解为毒性较小的化学物质,但却很容易从水中转移到生物体内,最终通过食物链进入人体之中。如果长期饮用或者暴露于被重金属污染的水体,人体的皮肤和肾脏以及神经系统等重要器官都会受到不同程度的损害。全球工业现代化和农业现代化导致水体污染日益严重。其中水体中的重金属Hg、Cd、Pb含量超标较大。而如何有效治理废水中重金属,进而保障水环境质量安全和人体健康安全已成为亟需解决的重要科学问题,这将对维持水生态系统安全和保障经济可持续发展具有重大意义。
目前使用生物炭吸附废水中Cd的研究多数集中于以植物源(木屑、秸秆、玉米芯、稻壳及果壳等)以及市政污泥等为原料制备的生物炭上,并取得了一定进展。相关报道表明,原始生物质直接热解所获生物炭对废水中污染物的去除能力十分有限,而采用不同改性方法获得的改性生物炭则通常能提高其吸附性能,这与生物炭原料和改性方法有着直接关系。诸如,Zhang等(2021)使用龙虾壳生物炭为原料,制备的原始生物炭与MgCl2
改性生物炭对溶液中Cd2+
的饱和吸附量分别为52.4mg·g-1
和93.6mg·g-1
。Qiu等(2019)使用山核桃木为原料,使用NaOH、柠檬酸和K2
FeO4
改性制备的生物炭对溶液中Cd2+
的饱和吸附量分别为0.98mg·g-1
、18.5mg·g-1
和32.5mg·g-1
。在众多改性方法之中,铁改性被经常用于提高废水中重金属离子的去除能力。诸如,崔志文等人(2020)发现KOH和FeCl3
改性小麦秸秆生物炭的比表面积、芳香族和含氧官能团数量均明显增加,对Cd2+
的吸附量也有一定提高。Yang等人(2019)揭示了Fe/Zn复合氧化物改性生物炭对水中Cd2+
主要的吸附机理是Cd2+
与碳酸盐共沉淀及与含氧官能团的作用络合。分析发现,目前铁改性方法复杂,生物炭原材料繁多,改性效果也良莠不齐,因此,亟需探索研发一种制备工艺简单、对重金属去除效果显著的铁改性技术和生物炭原材料。此外,规模化畜禽养殖在我国与日俱增,其动物粪便产量高达40亿吨/年,然而有效利用效率却不足60%(Zhang et al.,2015;Su et al.,2022)。显然,如果对作为常见农牧业废弃物的畜禽粪便处置处理不当,将会造成一系列水土环境污染问题。因此,选择畜禽粪便作为原料制备生物炭修复材料用于水土污染治理,既能实现粪便无害化、减量化和资源化目标,又可为水土污染防治提供更多优选方案。
实现思路