[发明专利]一种畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质再利用和水处理技术领域，具体涉及一种畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

集约化养殖场为了预防和治疗畜禽的疾病，促进动物生长以及提高饲料的利用效率等，广泛使用Cu、Zn、As等重金属添加剂和磺胺二甲嘧啶、泰乐菌素和罗红霉素等抗生素药物，导致畜禽粪便中残留的重金属/抗生素环境污染日趋严重。抗生素进入动物体内大部分以母体化合物的形态排出体外，难以被代谢。大量研究表明，这些残留的抗生素会危害各类生物，诱发微生物的抗药性，甚至威胁到生态环境安全和人类健康。另外，与抗生素污染不同，重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性和生物累积性等特点。这些使得重金属和抗生素的复合污染成为了养殖废水环境治理上亟待解决的一大难题。

目前，去除环境中重金属污染的技术可分为化学修复、物理修复和生物修复三大类，物理化学修复法中的吸附法是利用吸附剂与重金属离子发生螯合和络合作用，再通过两相分离达到净化目的；对于水体抗生素污染的修复技术主要有：化学氧化法、吸附法、膜技术法、生物修复法。因此采用吸附法来去除中重金属/抗生素复合污染既有理论依据又有科研实践。其中采用生物炭吸附污染物的优越性体现在：①生物炭中除了天然赋存的杂原子官能团结构，表面的活性位点还可以结合其他元素(如P、O、N和S等)生成稳定的表面配合物，形成某些局部的表面官能团结构；②具有交错复杂的孔隙结构；③具有较高的比表面积以及较大的孔隙度；④原材料便宜易得且可再生循环利用、操作简单、成本低且吸附效果好；⑤效率高、能耗低、无二次污染。

近年来，制备生物炭原材料一般分为以下几类：①农林生产与农产品加工过程产生的植物类废弃物，如木屑等；②生活垃圾中产生的废弃物，如花生壳等；③食品加工业类的废弃物，如甘蔗渣等；④市政固体废物，比如市政污泥；⑤藻类，如蓝藻；⑥动物性源的粪便，比如猪粪、牛粪等。本专利选取的是畜禽粪类的沼渣，以这类原材料制炭的专利未曾报道。另外，当前生物炭的功能化方式大致可分为：化学改性(硝酸、氨水改性等)、物理改性(蒸汽活化)、制备复合材料(碳纳米管)、磁性改性(四氧化三铁改性)等(RAJAPAKSHA A,CHEN S,TSANG D,etal.Engineered/designer biochar for contaminant removal/immobilization from soil and water:Potential and implication of biochar modification[J].Chemosphere,2016,148:276–291)，但是将锰氧化物负载生物炭上制成复合材料的研究很少，涉及的文献“生物炭-锰氧化物复合材料对红壤吸附铜特性的影响”、“生物炭-锰氧化物复合材料吸附砷(Ⅲ)的性能研究”和“锰氧化物-生物炭复合材料对砷的生物有效性的影响”(于志红,谢丽坤,刘爽,等.生物炭-锰氧化物复合材料对红壤吸附铜特性的影响[J].生态环境学报,2014(5):897-903；于志红，黄一帆，廉菲，等.生物炭-锰氧化物复合材料吸附砷(Ⅲ)的性能研究[J].农业环境科学学报,2015,34(1):155-161；于志红.锰氧化物—生物炭复合材料对砷的生物有效性的影响[D].中国农业科学院,2015.)均以玉米秸秆为生物炭原材料，研究了炭锰复合材料对重金属(铜、砷)的吸附效果。而以畜禽粪沼渣为原料，制备出生物炭与锰氧化物的复合材料，并将其应用于水环境中重金属/抗生素污染治理的研究还未见报道。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制备得到的畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料。

本发明的再一目的在于提供上述畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料的应用。该复合材料具有高效吸附Cu、Zn、As、SDM、TYL和ROX污染物的能力。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料的制备方法，是在畜禽粪沼渣生物炭上负载锰氧化物制备得到的，具体包括如下步骤：

(1)畜禽粪沼渣生物炭的制备：以畜禽粪沼渣为原材料，风干过目后，限氧慢速热解炭化，制得畜禽粪沼渣生物炭；

(2)复合材料的制备：将步骤(1)制得的畜禽粪沼渣生物炭，先经过盐酸去灰烘干，再浸渍于高锰酸钾溶液中并超声处理，负载上锰氧化物，得到畜禽粪沼渣生物炭/锰氧化物复合材料(BC-MnO_x)。