[发明专利]磷酸盐-铁氧化物改性生物炭复合材料及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种磷酸盐‑铁氧化物改性生物炭复合材料及制备方法和应用，属于生物炭吸附领域，通过磷酸盐对铁氧化物改性生物炭进行改性得到，在复合材料表面有磷酸根与铁氧化物改性生物炭表面的铁氧化物、氧化镁形成的络合物。其步骤为：取核桃壳粉末，加入铁盐，搅拌、过滤、烘干得改性生物质；将生物质在限氧热解温度下碳化，去灰分、水洗至中性、烘干得铁氧化物改性生物炭；取该生物炭添加KH₂PO₄溶液，搅拌、静置老化、磁性分离得到复合材料。本发明通过铁氧化物改性来减弱生物炭与PPCPs之间的静电斥力，并通过投加磷酸盐使生物碳表面形成稳定络合物来为PPCPs提供更多的氢键吸附位点，此吸附剂结构性能稳定，吸附容量大。

技术领域

本发明主要涉及生物炭吸附领域，特别是涉及一种磷酸盐-铁氧化物改性生物炭复合材料及制备方法和应用。

背景技术

我国由于淡水资源短缺，多将城市废水经处理后的再生水用于农业灌溉和地下水补给，而污水处理厂现有工艺并不能有效去除废水中残留的药物与个人护理用品(PPCPs)，增加了其通过再生水的回灌进入土壤及地下水中的风险。有研究发现，PPCPs在厌氧环境中的持久性表明一旦进入水环境或土壤中会稳定存在，尽管在厌氧环境中会被微生物降解，但在土壤中微弱的吸附量和短暂的停留时间使其可以继续迁移进入地下水中，严重威胁饮用水系统安全。

目前广泛应用的PPCPs去除方法包括混凝沉淀法、化学氧化法、膜分离技术和物理吸附技术。

混凝沉淀法去除效果不仅随PPCPs的化学结构及特性的差别而变化，而且受混凝剂种类影响，因此去除效果具有离散型，对PPCPs的修复不具有广泛适用性。

化学氧化法是利用强氧化基团羟基自由基(HO·)的氧化作用，对有机物进行降解，常用的氧化剂有臭氧、紫外光、催化过氧化氢和他们之间的组合。氧化法对有机物无选择性且反应迅速，但HO·易受腐殖酸等天然有机质的抑制，氧化过程易产生致癌副产物，紫外光源存在利用率低、能耗比较大，投资费用高等缺点。

膜分离技术主要基于反渗透和纳滤技术，但从目前的研究现状来看，膜技术的研究大多还集中在在实验室水平，在垃圾处理液、工业渗透液去除的工程施工中难以推广，离工业化应用还有距离。

物理吸附法是去除PPCPs的重要方法，碳材料(活性炭、生物炭、石墨烯、碳纳米管等)是最常见吸附剂。但在环境pH下，表面带负电荷的生物炭和阴离子态的PPCPs之间存在静电斥力，从而抑制PPCPs在生物炭上的吸附。同时，在废水处理中吸附了大量污染物的生物炭难以回收，容易造成二次污染，增加成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种磷酸盐-铁氧化物改性生物炭复合材料及其制备方法和应用，通过铁氧化物改性来减弱与PPCPs之间的静电斥力，提高吸附能力；并对铁氧化物改性生物炭投加磷酸盐的方法，使生物碳表面形成稳定的络合物来为PPCPs提供更多的氢键吸附位点。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种磷酸盐-铁氧化物改性生物炭复合材料，通过磷酸盐对铁氧化物改性生物炭进行改性得到，在复合材料表面有磷酸根与铁氧化物改性生物炭表面的铁氧化物、氧化镁形成的络合物。

本发明采用的铁氧化物改性生物炭改变了生物炭表面理化性质，使生物炭表面含有更多含氧官能团(羧基、羟基等)，孔径更小，比表面积更大，同时表面酸性更弱，负电荷密度减小，减弱了PPCPs与生物炭之间的静电斥力，从而提高了吸附去除能力；在铁氧化物改性生物炭加入磷酸盐后，在pH为4～9时磷酸根和生物炭表面的铁氧化物、氧化镁形成稳定的络合物，可在生物炭表面为PPCPs提供更多的氢键吸附位点，从而提高了生物炭的吸附性能；本发明的复合物采用物理吸附法去除PPCPs，不会产生因氧化条件改变而使污染物活化，导致浓度反弹；利用改性生物炭磁性性能，以及对生物炭表面吸附的PPCPs经活性物质转化-降解，实现生物炭的重复使用，同时避免造成吸附剂成为二次污染源。