[发明专利]一种以废弃绿茶渣为原料的金属钒高效吸附-还原材料的制备及其应用

说明书

本发明提供一种以废弃绿茶渣为原料的金属钒高效吸附‑还原材料的制备及其应用。绿茶渣由17％～28％粗蛋白、16％～35％粗纤维、2％～3％游离氨基酸、1％～2％茶多酚和0.1％～0.3％咖啡碱等组分组成，热解成生物炭后表面不饱和键功能性官能团种类和数量较多，原始钒吸附容量明显优于其他生物炭。对绿茶渣生物炭表面及孔道进行零价铁改性，优化生物炭孔道结构，增强生物炭还原能力并提升钒吸附容量，实现对钒的高效吸附‑还原。改性后，吸附容量提高3.48～11.28倍、吸附速率提高20～36倍，将五价钒还原为毒性较低的四价钒，毒性降低70％以上。该材料合成方法简便、修复效果优异，可应用于可渗透反应墙技术或钒污染应急处理等场景，显著降低工程前期投入和运行成本，具有良好的实际应用前景。

技术领域

发明涉及地下水污染治理领域，属于环境工程技术领域，具体涉及一种以废弃绿茶渣为原料的金属钒高效吸附-还原材料的制备及其应用。

背景技术

1996年，污染物“钒”被列为《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中的第一类污染物。作为推动我国工业发展的重要原料，大量钒矿石被开采、冶炼，导致大量钒元素进入环境。环境中的钒可通过呼吸、饮食等途径进入人体，摄入浓度高于0.5mg·L^-1的钒就会对人体健康造成损害。钒具有多种化合价，一般有+2价、+3价、+4价和+5价。其中，五价钒具有强氧化性，毒性和迁移性最强；四价钒毒性较低，在中性环境下能自发沉淀。因此，将高毒性的五价钒转化成低毒性的四价钒并将其吸附是一种可行的、被广泛认可的、有很大应用前景的修复钒污染地下水的思路。

可渗透反应墙(PRB)技术因占地面积少、能量需求低、运行和维护费用低、水文地质条件变化小等优势，近年来逐渐成为地下水污染修复的热点方向。对于PRB技术，活性填料的选择是极其重要的。针对钒污染地下水，活性填料需要具有较强的还原能力和足够钒吸附容量，以保证可渗透反应墙的长期稳定运行。常见廉价活性填料因电荷相斥作用对于在环境中以含氧阴离子形态存在的钒吸附容量极其有限，天然高岭石和蒙脱石对于钒的最大吸附容量分别为0.98mg·g^-1和0.78mg·g^-1；清华大学孟瑞红博士验证了7种原料制备的生物炭对钒的吸附效果，吸附容量为0.3mg·g^-1～4.2mg·g^-1，即使经过28种方式改性后，最大吸附容量也仅为12.3mg·g^-1；授权专利(CN110354814B)以4-bpdh为有机配体，采用超声联合液相扩散法制备锌基质MOFs材料，其制备过程繁琐，成本高，且钒吸附容量仅为19.35mg·g^-1。

我国茶文化历史悠久，是国民日常生活的重要部分。在茶叶加工和消费过程中，年均产生二十几万吨茶渣，不但污染环境，还造成了生物资源的巨大浪费。因绿茶渣的主要成分为粗蛋白、粗纤维、游离氨基酸、茶多酚和咖啡碱等，热解生成的生物炭表面不饱和键功能性官能团种类和数量较多(如C-O-C、C≡C等)，原始钒吸附容量是其他生物炭的1.51～21.2倍。本发明通过液相还原法在绿茶渣生物炭表面及孔道内部负载纳米零价铁，优化绿茶渣生物炭孔道结构，同时增强其还原能力并进一步提升钒吸附容量(71.6mg·g^-1)。改性后，吸附容量提高3.48～11.28倍、吸附速率提高20～36倍，将毒性较高的五价钒还原为毒性较低的四价钒，毒性实验可知钒污染水修复后对大肠杆菌抑制率降低70％以上。以绿茶渣为原料制备的生物炭-零价铁复合吸附-还原材料合成方法简便、修复效果优异，可应用于可渗透反应墙技术或钒污染应急处理及钒污染地下水异位修复等场景下，在实现绿茶渣废弃物资源化的同时，显著降低工程前期投入和运行成本，具有良好的实际应用前景。

发明内容