[发明专利]一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质及其制备方法

说明书

本公开提出了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质及制备方法，包括以下步骤：将湿地植物的秸秆晾干，洗净，烘干，切碎，置于水热反应釜中，加入氨水和氯化镧的混合水溶液；将水热反应釜在限氧环境中进行水热炭化处理；水热炭化处理反应结束后，过滤分离沉淀物，用去离子水洗涤，烘干至恒重，即得水热法镧改性人工湿地生物炭，作为人工湿地基质使用。

技术领域

本公开属于污水处理以及废弃植物资源化技术领域，尤其涉及一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质及其制备方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

水体富营养化问题呈现出越来越普遍和加剧的状态，所谓富营养化，是指湖泊、河流、水库等水体中氮、磷等植物营养物质含量过多所引起的水质污染现象。作为富营养化水体的限制性营养元素，磷的去除一直是需要研究的重点问题。磷的富营养化浓度(＞0.01～0.02ppm)远低于污水排放的标准浓度(＜0.1mg/L)，因此，对污水中的磷进行深度净化是非常有必要的。

人工湿地是一种常用的污水深度处理技术，它可以通过水生植物、基质和微生物的共同作用来完成对磷的去除。研究证明，人工湿地中70％以上的磷是通过基质的吸附作用去除的。因此，高效除磷湿地基质的研发是强化人工湿地除磷的关键。

生物炭作为一种常见的吸附剂，具有表面官能团丰富、比表面积较大、吸附性能好、性质稳定、再生性好等优点。以生物炭作为湿地改良基质具有非常好的应用前景。生物炭除了可以捕捉和固定氮、磷等植物必需营养物质,促进植物的生长,还能为微生物提供足够的附着点和反硝化碳源。湿地植物是制备生物炭的良好原料，一方面，湿地植物含有丰富的生物质，其中高含量的纤维素和半纤维素有助于生物炭的形成，另一方面，废弃的湿地植物的资源化利用目前仍存在限制，冬季枯萎的湿地植物容易堵塞人工湿地，影响湿地的维护和运行。因此，以湿地植物为原料制备生物炭并回填至人工湿地，不仅可以获得优秀的人工湿地基质，而且可以实现人工湿地废弃植物的资源化利用。但生物炭表面的官能团主要带负电荷，对磷酸根的亲和力较差，直接使用对磷的专性吸附能力有限。

发明人在研究中发现，廉价的稀土金属镧可以通过内层络合，化学沉淀，静电吸引等方式与磷酸根结合，形成稳定的络合物，从而实现水中磷酸盐的去除。已有研究证实，将镧负载到生物炭上，可以显著增强生物炭的高效除磷能力。但是现有的镧负载方式容易出现结合不牢固，负载不均匀等问题，且操作步骤多，无法一步合成。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种水热法镧改性生物炭基质及其制备方法，通过一步合成水热法将镧以水和氧化物的形式负载到以湿地植物为原料的生物炭上，得到了可以高效率专性吸附磷的人工湿地生物炭基质，而且该基质可以为微生物的反硝化过程提供缓释碳源。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种水热法镧改性人工湿地生物炭基质的制备方法，包括以下步骤：

将湿地植物的秸秆晾干，洗净，烘干，切碎，置于水热反应釜中，加入氨水和镧(七水合氯化镧)的混合水溶液；

在一定温度下，将混合物在水热反应釜的限氧环境中进行一定时间的水热炭化反应；

水热炭化反应结束后，过滤分离沉淀物，用去离子水洗涤后，烘干至恒重，即得水热法镧改性生物炭，简称水热镧生物炭，作为人工湿地的基质使用。

进一步的技术方案，所述湿地植物秸秆与镧元素的质量比是1:0.05-0.1，与氨水的质量比是1:0.3-1，与纯水的质量比是1:10-20。氨水不仅为生物炭增加了表面含氮官能团，且提供了碱性环境，让镧以水合氧化态与生物炭紧密络合。

进一步的技术方案，所述将水热反应釜在限氧环境中进行水热炭化处理，反应温度为200-300℃，反应时间为10-20小时。