一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料及其制备方法与应用

本发明涉及环境治理，具体涉及一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、目前针对cd、as污染治理方法主要包括原位固定稳定化、土壤异位修复、土壤淋洗、植物修复等，其中化学稳定被认为是一种较为经济有效的重金属污染治理方法。但由于受土壤ph和eh的影响，cd和as的生物有效性相反，使得它们在共污染的农业土壤中的同时稳定提出了挑战。因此迫切需要开发一种材料能够同时固定cd和as。

2、生物炭是一种富含碳的产物，是通过在氧气有限的环境中，如植物残渣、畜禽粪便和污水污泥等废生物质的热解而获得的。生物炭因其来源广泛、廉价易得在固定重金属方面得到了广泛的应用。但它也有一定的局限性。一方面是对阴离子的固定作用有限，另一方面粉末状生物炭与土壤的分离仍然是一个重要的未解决的问题。因为当环境发生变化时，在生物炭上的重金属可能发生解吸，将重金属离子释放到环境中，从而造成二次污染。目前大部分吸附材料仅用于水溶液体系来评估去除效果，在土壤中的应用较少。因土壤环境复杂及培育周期较长，实现土壤与材料的分离更是难上加难。同时土壤改良剂因不能实现与土壤的有效分离，因此只能通过形态变化来评估重金属在土壤中的迁移情况。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料。本发明的目的之二在于提供这种磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法。本发明的目的之三在于提供这种磁性生物炭负载纳米零价铁材料在处理重金属中的应用。本发明的目的之四在于提供这种磁性生物炭负载纳米零价铁材料在制备土壤改良剂中的应用。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料，包括介孔生物炭、纳米fe3o4颗粒和纳米零价铁；所述纳米fe3o4颗粒和纳米零价铁负载在所述介孔生物炭的介孔孔道及表面。

4、优选地，所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料中，fe元素、c元素和o元素的重量百分比分别为60～80％、15～25％和10～16％。

5、本发明第二方面提供了第一方面所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法，包括如下步骤：

6、s1、将生物质浸渍在铁源溶液1中，调节溶液体系ph值为10～12，收集固体产物，进行热解，制得磁化生物炭；

7、s2、将所述磁化生物炭浸渍在铁源溶液2中，加入nabh4，进行反应，制得磁性生物炭负载纳米零价铁材料。

8、优选地，所述生物质选自树叶、稻壳、秸秆、花生壳、玉米芯或果壳中的一种或多种。

9、优选地，所述生物质的粒径小于150目。更优选地，所述生物质的粒径小于100目。

10、优选地，所述生物质先经过干燥处理。更优选地，所述干燥处理为：在60～80℃下干燥10～20h。

11、优选地，所述铁源溶液1为含三价铁源和二价铁源的溶液，其中所述三价铁源为fecl3或fe2(so4)3，所述二价铁源为fecl2、feso4、fe(no3)2。

12、更优选地，所述三价铁源和二价铁源的摩尔比为2：(0.5～2)。

13、优选地，所述生物质与铁源溶液1中铁源的用量比为1g：(1～30)mmol。

14、优选地，所述生物质与铁源溶液1的质量体积比为(0.5～3)g：10ml。

15、优选地，采用naoh调节溶液体系ph为10～12。

16、优选地，步骤s1还包括如下步骤：调节溶液体系ph为10～12，浸渍1～4h，固液分离收集固体材料，用水洗涤固体材料直至滤液的上清液为中性。

17、优选地，所述热解的反应温度为450～650℃，反应时间为90～150min。

18、更优选地，所述热解的反应温度为500～600℃，反应时间为110～140min。

19、进一步优选地，所述热解的具体方法为：以4-6℃/min的升温程序加热到500～600℃，在该温度下保持110～140min。

20、优选地，所述铁源溶液2为含三价铁源或二价铁源的溶液，其中所述三价铁源为fecl3或fe2(so4)3，所述二价铁源为fecl2、feso4、fe(no3)2。

21、优选地，所述磁化生物质与铁源溶液2中铁源的用量比为1g：(4～8)mmol。

22、优选地，所述生物质与铁源溶液2的质量体积比为(0.1～2)g：100ml。

23、优选地，所述铁源溶液2中铁源与nabh4的摩尔比为1：(3～7)。

24、优选地，步骤s2中，所述反应在氮气气氛下进行。

25、优选地，步骤s2中，所述反应的反应温度为15～40℃。

26、优选地，步骤s2中，所述反应的反应时间为20-40min。

27、优选地，步骤s2中还包括：反应后用磁性材料收集产物。

28、本发明第三方面提供了第一方面所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料在处理土壤重金属中的应用。

29、优选地，所述重金属为as和/或cd。

30、优选地，所述应用是指所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料钝化和/或吸附重金属。

31、更优选地，所述应用具体为：将所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料与重金属污染土壤进行混合，进行钝化和/或吸附重金属。进一步优选地，钝化和/或吸附重金属后，用磁铁分离磁性生物炭负载纳米零价铁材料。

32、进一步优选地，所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料的施用量范围为：适用于cd：0.3～5mg/kg和as：30～100mg/kg的复合污染土壤，其中磁性生物炭负载纳米零价铁材料的添加量为0.5-3％(w/w)。

33、本发明第四方面提供了第一方面所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料在制备土壤改良剂中的应用。

34、优选地，所述土壤改良剂的指标包括土壤有机质、阳离子交换量、脲酶、过氧化氢酶和蔗糖酶活性。

35、本发明的有益效果是：

36、(一)本发明提供了一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料，该材料的结构为在磁化生物炭上负载纳米零价铁，纳米零价铁可通过氢氧化铁外壳和零价铁芯发挥吸附剂和电子供体的作用，从而提高对重金属的固定效果，纳米fe3o4颗粒能增强材料的磁性，使得材料因具有磁分离的优势易于回收利用，解决了传统钝化剂难以分离的问题，减少了被吸附重金属再次活化释放到土壤中造成二次污染的风险。此外，磁性生物炭负载纳米零价铁材料相比于单一负载纳米零价铁材料的生物炭材料更有利于固定重金属，可应用于协同固定/吸附as与cd，在环境中有广泛的应用前景。

37、(二)本发明的磁性生物炭负载纳米零价铁材料不仅能使农业土壤中as、cd毒性降低，还可以提高土壤理化性质以及酶活，从而改善土壤质量，经该材料修复后的土壤的理化性质和酶活得到有效改善，可显著提高土壤肥力和改良土壤环境。

技术特征：

1.一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料，其特征在于，包括介孔生物炭、纳米fe3o4颗粒和纳米零价铁；所述纳米fe3o4颗粒和纳米零价铁负载在所述介孔生物炭的介孔孔道及表面。

2.根据权利要求1所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料，其特征在于，所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料中，fe元素、c元素和o元素的重量百分比分别为60～80％、15～25％和10～16％。

3.权利要求1或2所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，所述铁源溶液1为含三价铁源和二价铁源的溶液，其中所述三价铁源选自fecl3和/或fe2(so4)3，所述二价铁源选自fecl2、feso4、fe(no3)2中的一种或多种；

5.根据权利要求3所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，所述热解的反应温度为450～650℃，反应时间为90～150min。

6.根据权利要求3所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，所述铁源溶液2为含三价铁源或二价铁源的溶液，其中所述三价铁源选自fecl3和/或fe2(so4)3，所述二价铁源选自fecl2、feso4、fe(no3)2中的一种或多种；

7.根据权利要求3所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述反应在氮气气氛下进行；

8.权利要求1或2所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料在处理土壤重金属中的应用。

9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用是指所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料钝化和/或吸附重金属

10.权利要求1或2所述的磁性生物炭负载纳米零价铁材料在制备土壤改良剂中的应用。

技术总结
本发明公开了一种磁性生物炭负载纳米零价铁材料及其制备方法与应用，所述磁性生物炭负载纳米零价铁材料包括介孔生物炭、纳米Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;颗粒和纳米零价铁；所述纳米Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;颗粒和纳米零价铁负载在所述介孔生物炭的介孔孔道及表面。本发明的材料结构为在磁化生物炭上负载纳米零价铁，纳米零价铁可提高对重金属的固定效果，纳米Fe<subgt;3</subgt;O<subgt;4</subgt;颗粒能增强材料的磁性，使得材料因具有磁分离的优势易于回收利用，解决了传统钝化剂难以分离的问题。此外，磁性生物炭负载纳米零价铁材料更有利于固定重金属，可应用于协同固定/吸附As与Cd。本发明的磁性生物炭负载纳米零价铁材料还可以提高土壤理化性质以及酶活，可显著提高土壤肥力和改良土壤环境。

技术研发人员：刘婷,安欢欢,刘杰,刘梦婷,魏庞之,赖永康,姚伟鹏,胡祎,汤潇,肖潇,任重
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23