[发明专利]一种羟基磷灰石改性的生物炭材料及其应用

说明书

本发明涉及一种羟基磷灰石改性的生物炭材料及其应用，属于材料和土壤修复技术领域。利用超重力技术和水热合成法在生物炭表面生成纳米羟基磷灰石。首先利用超重力技术制备羟基磷灰石的原浆产物，然后将原浆产物加入到生物质原料的悬浮液中，超声后将生物炭原浆转入反应釜，得到羟基磷灰石负载的生物质炭原料，最后将羟基磷灰石负载的生物质炭原料置于N₂氛围中，慢速升温至500‑700℃，热解0.5‑3h，即得羟基磷灰石改性的生物炭。本发明生物炭材料兼具生物炭和羟基磷灰石的性能，不仅对水溶液中的重金属具有高吸附率，也是一种绿色环保的土壤重金属修复材料，对重金属污染的农田土壤有很好的固定稳定化效果。

技术领域

本发明属于材料和环境保护领域，更具体地，涉及一种羟基磷灰石改性生物炭材料。

背景技术

我国土壤耕地污染问题从上个世纪80年代开始，到目前全国超过五分之一的耕地受到污染。近年来农用地污染带来的环境事件频发，镉大米危机牵出的土壤污染现实使土壤污染问题受到越来越多的关注和重视，土壤污染问题亟待解决。

目前，在土壤重金属的修复方法中固化/稳定化技术由于操作简单，易于大面积推广收到越来越多的青睐。公开号为CN104560046A的中国专利公开了一种污染土壤钝化剂及其制备方法与应用，钝化剂由天然矿物材料、类矿物材料组成，成本低廉，但是，引入的粉煤灰等工业废弃物会使土壤板结，改变土壤的理化性质且不利于作物的生长。公开号为CN105295938A的中国专利公开了一种降低土壤中镉生物有效性的重金属钝化剂，钝化剂由生物炭70-90％，改性海藻酸钠10-30％组成，虽然此发明不仅具有原位钝化土壤重金属的功能，而且还能改善土壤结构兼具修复酸化土壤的功能，但是其生物质炭原料难以大量收集，制备方法复杂，还有部分钝化剂原材料成本较高，难以大面积推广应用。

羟基磷灰石比表面积大，结构中的Ca²⁺易被二价重金属离子替换。目前，人工合成羟基磷灰石的方法主要有水热法、溶胶-凝胶法、沉淀法、、微乳液法等。其中，最常用的方法是沉淀法，本研究利用超重力旋转床，将沉淀法和水热法相结合，制备羟基磷灰石，并通过热解技术制备羟基磷灰石改性的生物炭材料。羟基磷灰石改性的生物炭材料具有较大的比表面积与较强的离子交换能力，在改善土壤结构和微生物群落，减轻重金属污染对土壤环境的毒等方面有具大应用潜力和环境效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单，易于操作，可方便控制羟基磷灰石含量的，羟基磷灰石改性的生物炭材料的制备方法。具体步骤如下：

（1）制备羟基磷灰石原浆：配置Ca(NO₃)₂·4H₂O溶液和Na₃PO₄·12H₂O溶液，控制两种溶液的流量进料，利用超重力旋转填充床进行反应；

（2）水热反应：将生物质原料粉碎至2mm以下，浸渍到步骤（1）制得的羟基磷灰石原浆中，超声后置于聚四氟乙烯罐内，装入水热釜中反应；

（3）羟基磷灰石改性生物炭的制备:反应后的产物离心，洗涤和干燥，最后置于N₂氛围中，慢速升温至500-700℃，热解0 .5-3h，得到羟基磷灰石改性的生物炭材料。

进一步，步骤1）中，所述Ca(NO3)₂·4H₂O溶液的浓度为0.1-0.5mol/L；按照1.67 的钙磷摩尔比配制Na3PO4·12H2O溶液，并且用氨水与尿素混合物调节Ca(NO₃)₂·4H₂O溶液的pH为10-11。