[发明专利]一种氧化石墨烯改性的生物炭材料及其应用

说明书

本发明涉及一种氧化石墨烯改性的生物炭材料，属于材料和环境保护领域，首先制备秸秆生物炭，然后制备1,3,6,8‑芘四磺酸四钠盐水溶液，将氧化石墨烯加入到1,3,6,8‑芘四磺酸四钠盐水溶液中，1,3,6,8‑芘四磺酸四钠盐与氧化石墨烯的质量比为1.8～2.5:1，超声后得到石墨烯悬浮液，将秸秆生物炭浸渍到石墨烯悬浮液中，用去离子水漂洗后，进行过滤、干燥，最后置于N₂氛围中，慢速升温至500‑700℃，热解0.5‑3h，即得。本发明生物炭材料兼具生物炭和氧化石墨烯的吸附性能，具有大吸附容量、高吸附效率等优点，对土壤等环境中的重金属具有良好的吸附去除效果，特别适用于沼渣或重金属污染土壤中钝化重金属。

技术领域

本发明属于材料和环境保护领域，具体涉及一种氧化石墨烯改性的生物炭材料。

背景技术

近十年来，中国生猪规模养殖得到了快速发展，但随之而来产生环保污染问题。“猪-沼-菜(稻)”为代表的生态循环农业模式以沼气工程为纽带，以沼气工程产品——沼气、沼液和沼渣处理利用为核心，有效解决了猪粪尿这一环境问题。但是农业土地消纳沼渣的处理方式存在一些潜在环境问题，如：猪饲料中铜(Cu)和锌(Zn)是最广泛存在的重金属元素，随“饲料-猪粪-沼渣”生态链进入环境。目前，我国将沼渣作为有机肥施用于农田存在一定的环境风险，特别是长期施用势必引起农产品富集高浓度的铜和锌，随之对人体健康产生不利影响。

研究表明，在含有重金属的环境中添加钝化剂，可以改变重金属的形态，降低堆肥中重金属的可移动性和生物有效性。常用的重金属钝化剂有粉煤灰、磷矿粉、膨润土、沸石和生物炭等。其中，生物炭是生物有机体在缺氧的情况下，经由一定温度，裂解炭化产生的一种高度芳香化的、高抗分解能力的固体物质，具有较大的比表面积与较强的离子交换能力，对修复重金属污染和改善土壤肥力等方面具有巨大潜力，可实现农业废弃物资源化利用。但是由于材料自身原因，生物炭表面官能团种类和数量不具备优势，导致目前的生物炭材料普遍存在重金属吸附性差的问题。

影响生物炭吸附重金属能力主要有两个因素，一是疏松多孔的表面结构，二是复杂多样的表面官能团结构。虽然目前的生物炭材料表面官能团种类和数量不具备优势，但可以通过相应的化学功能化方法进行修饰改进，提高生物炭对重金属的吸附特性。与其他钝化材料相比，功能化生物炭具更佳的生物兼容性，再加上其较强的吸附能力，可加大沼渣中有效态金属的矿化率，实现重金属钝化与作物生长相统一，具有广阔的应用前景。

石墨烯的物理化学结构与富勒烯非常相似，但石墨烯具有价格低，可以作为涂层剂和包装剂来合成新的杂种纳米复合材料的优势。石墨烯材料包括普通石墨烯、氧化石墨烯、功能化石墨烯以及石墨烯复合物等。其中，氧化石墨烯表面含有丰富的羰基、羧基、羟基、环氧基等活性基团，可以吸附水体阳离子和碱性分子。

发明内容

本发明的目的是克服现有生物炭材料自身的不足，提供一种氧化石墨烯改性的生物炭材料，其兼具生物炭和氧化石墨烯的吸附性能，具有较大的比表面积、优异的生物兼容性，对土壤等环境中的重金属具有良好的吸附去除效果。

技术方案

一种氧化石墨烯改性的生物炭材料，其制备方法包括如下步骤：

(1)制备生物炭：将秸秆粉碎至粒径2mm以下，干燥后置于N₂气氛管式炉中，通入N₂使气氛炉内形成限氧环境，然后加热至500～550℃并保温热解，待热解过程完成后，持续通入N₂使炉内生物炭自然冷却，得到秸秆生物炭，研磨成粒径为2mm以下的粉末，备用；

(2)制备石墨烯悬浮液：将1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐溶入到去离子水中，制得1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐水溶液，将氧化石墨烯加入到1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐水溶液中，1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐与氧化石墨烯的质量比为1.8～2.5:1，超声1-3h后，得到的灰色石墨烯悬浮液；