[发明专利]一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用

说明书

本发明涉及土壤修复技术领域，尤其是一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用。包括以下步骤：S1、对污染土壤样品初筛；S2、称取污染土壤，加入Fe₃C@BC材料混匀培养，于2‑14天取样获得重金属污染修复土壤；将上述土壤加热，采用BCR四步法提取土壤中不同形态的重金属；S3、将土壤进行烘干、研磨、过筛处理，用磁铁筛选，将材料从土壤中完全分离出来；使用微波消解萃取系统对分离材料的剩余土壤和步骤S1获得的污染土壤进行消解，分别测定土壤中剩余重金属的全量。Fe₃C@BC材料修复重金属污染土壤效果显著，具有良好的吸附性能，并且该材料具有优异的可回收性、稳定性和再生性。

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，尤其是一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用。

背景技术

近年来，随着工业的快速发展，越来越多的有毒重金属进入水体和土壤。除了生物的重金属积累和富集外，它们在自然界中不能降解，因此会对水土环境造成严重危害，并通过食物链进入人体，对人类健康构成了严重威胁。

重金属在土壤中主要以弱酸溶解态(可交换态和碳酸盐结合态)、可还原态(铁锰氧化物结合态)、可氧化态(有机物结合态)和残渣态的形式存在。其中，可交换态重金属的毒性最大且最易迁移，残渣态重金属的毒性最小且最稳定。当土壤受到外来重金属污染源的污染时，在初始阶段，可交换态重金属的占比增加，残渣态重金属占比较小，使得重金属在土壤中有较强的可迁移性，易被植物吸收利用，也易经雨水冲刷到水体中。随着时间的推移，可交换态重金属会向其余几种形态逐渐过渡转化，最终一部分重金属稳定在残渣态。

重金属污染的修复可以通过物理、化学和生物方法去除或固定土壤中的重金属，以限制其在土壤中的迁移和生物有效性。在各种处理技术中，吸附法是一种常用的快速、高效、操作简单和低成本的处理重金属的方法。其中，低成本的吸附剂是修复重金属污染过程中的关键。目前，修复土壤使用的改良剂主要有生物菌剂、离子矿化稳定剂、膨润土、粉煤灰、活性炭及铁纳米颗粒等。

碳基类吸附材料是去除环境中重金属最具成本效益的吸附剂。生物炭的有机碳结构比例高，含氧基团丰富(酚类、脂肪羟基和羧基基团等)，可以为重金属离子提供特定的吸附位点。另外，生物炭还有助于土壤中持水量、氧气含量、水分含量等物理性质的改善。普通生物炭虽能对污染物进行有效控制，但存在着材料施加后不易回收、再生等问题，这些都限制了生物炭在复合污染土壤修复领域的应用。

铁基纳米材料是一类活性很强的磁性材料，因其特有的表面效应和小尺寸效应，其具有优越的吸附性能和很高的还原活性，可通过氧化还原和共沉淀去除多种有毒有害污染物，但因其活性过强，性质不稳定，在空气中较长时间易被氧化且在水溶液中往往出现团聚现象，从而导致反应活性降低。在实际土壤修复中，若直接将纳米铁颗粒修复剂添加到土壤中，铁元素的大量释放往往会对土壤造成负面影响，影响土壤的孔隙结构，导致土壤板结，不利于土壤的再利用和植物的再生长。因此，需要在纳米铁颗粒的表面负载一种稳定性强的材料来阻止其氧化和团聚。

目前将生物炭和纳米零价铁材料结合获得碳化铁类碳铁复合材料的报道还较少，并且，对于碳化铁类碳铁复合材料的研究尚处于初步阶段，其在环境修复领域的实际应用还有待于进一步探索。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用。磁性生物炭基碳化铁材料经过铁改性的生物炭的表面含氧官能团明显增加，且在吸附过程中可与重金属形成更加稳定的络合物；生物炭表面的纳米铁颗粒不再团聚，且铁基能与重金属离子发生亲电反应，从而形成更稳定的配位螯合物。含铁生物炭材料具有磁性，易于分离再生，可循环使用，为其在实际废水和重金属污染土壤环境中的应用提供理论依据。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供一种磁性生物炭基碳化铁材料在重金属污染土壤修复中的应用，包括以下步骤：