[发明专利]高效固定重金属的动物炭及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及高效固定重金属的动物炭及其制备方法与应用。通过对动物尸体或动物器官或动物组织的缺氧热解得到钙/磷/碳复合物，即动物炭，它具有相对较高的钙、磷含量和较低的碳含量，主要成分为羟基磷灰石和无定形碳。动物炭可以高效固定多种重金属污染物；并且对于不同的重金属离子，呈现出不同的固定机理。Pb(II)与羟基磷灰石作用，生成磷酸盐沉淀；Cd(II)或Cu(II)能与羟基磷灰石作用，发生阳离子交换；而Hg(II)容易在元素碳表面发生吸附和还原。动物炭对Pb(II),Cd(II),Cu(II)和Hg(II)的最大吸附量分别达到3.10，0.89，1.17和0.36mmol/g。与现有技术相比，本发明绿色环保，对多种重金属吸附固定效果显著，具有良好的推广应用前景。

技术领域

本发明属于重金属污染原位修复领域，尤其是涉及一种高效固定重金属的动物炭及其制备方法与应用。

背景技术

生物炭是由环境生物质低温热解得到的一类多孔碳材料，被广泛应用于重金属污染修复领域。不同原材料制备的生物炭性质差异很大，表现出不同的重金属修复潜力。例如，秸秆制备的生物炭具有较高的硅含量，而碳含量较低，对重金属的固定效果不佳。木质生物炭富含碳元素，比表面积较大，且含有丰富的表面官能团，可以通过静电作用、离子交换、表面络合等作用吸附重金属；但这些作用部分可逆，因此重金属容易解吸。

粪便生物炭与植物源生物炭差异较大，由相对较少的碳元素和复杂的无机矿物组成。尽管比表面积较小，但粪便炭中的碳酸盐和磷酸盐成分能通过沉淀作用等与重金属结合，尤其是形成的磷酸盐沉淀(如氯磷铅矿，Pb₅(PO₄)₃Cl)溶解度很低，对重金属固定非常有效。但粪便炭的应用存在着一些问题：新鲜粪便的含水量较高(62％-87％)，热解过程需要较多的热量；自身重金属含量较高，有成为重金属污染源的潜在可能；另外，磷含量不高(一般低于3.3％)，与天然高磷含量的修复材料相比没有优势。

我国是畜牧业大国，根据《中国统计年鉴》，2015年底我国牲畜饲养总数达到约8.8亿头，若以死亡率5％计，则有超过4千万头牲畜尸体需要妥善处理。以往广泛采取的方法是填埋，这种方法虽然操作简单，但可能造成地下水污染，而且无法消灭病原体，因而逐渐被取代。堆肥处理被证实可以有效地灭活病原微生物，但持续周期较长，对动物体的大小有一定要求，且无法杀灭引起疯牛病的朊病毒。碱水解对病死动物尸体的灭菌效果非常好，但需要消耗化学试剂，产生大量碱液，仍处于试验研究阶段。另一方面，菜市场每天都会产生大量的腐坏肉类等动物组织，也需要适当的处理措施。

中国专利CN104923159A公开了一种鱼骨炭吸附剂及其制备方法及在重金属废水中的应用，包括以下步骤：1)除杂，将获取的鱼骨原料在水中进行搅拌、烫洗，去除杂质；2)干燥，将除杂后的鱼骨置于烘箱中进行烘干；3)粉碎，将烘干的鱼骨用粉碎机粉碎，得到鱼骨粉作为吸附剂原料；4)高温焙烧，将制备好的鱼骨粉进行高温焙烧炭化，然后自然冷却到室温后取出，即得到鱼骨炭吸附剂。

中国专利CN103121681A公开了一种高性能骨炭的制备方法，该制备方法按下述步骤进行：首先将经过脱脂脱胶的动物骨头破碎成1-5mm的颗粒；然后将颗粒状动物骨头送入碳化活化炉内，炉温以5-10℃/min升温至500℃-550℃后加入复合活化剂，继续升温至650℃-750℃后保持恒温1-3小时；使炉温快速冷却至150℃-180℃后停止输入复合活化剂，在炉温冷却至100℃以下后出料；将碳化活化后的骨炭加入碱性水溶液中通入蒸汽煮洗5-10次；煮洗后的骨炭放入二氧化碳水溶液中漂洗5-10次将pH值调整为7.0-8.0；漂洗后捞出晾干或烘干后即得成品高性能骨炭。

以上两个专利均需要对骨头进行除杂、破碎等预处理，同时焙烧或碳化的工艺较为复杂。此外，以上两个专利均是对于骨头的碳化，并需要将杂质(比如骨头上的肉、组织或胶质)等去除，不能实现肉、组织或胶质的同时碳化，导致动物的肉、组织或胶质等没有得到很好利用。

发明内容