一種鐵基生物炭材料及其制備和應用制造技術

本發(fā)明專利技術公開了一種鐵基生物炭材料及其制備和應用。本發(fā)明專利技術的鐵基生物炭材料以納米α?Fe2O3為中心物質，采用黑曲霉菌絲包裹納米α?Fe2O3，通過缺氧高溫碳化，制成用于砷污染土壤修復的鐵基生物炭材料。將合成的鐵基生物炭材料按一定比例與土壤混合均勻，一段時間后砷污染土壤中水溶態(tài)砷和有效態(tài)砷的固定率分別達到59.6％和66.2％。本發(fā)明專利技術所述的鐵基生物炭材料，制備過程簡單，高效無毒害，可生物降解，無二次污染，不會破壞土壤的理化性質，是一種環(huán)境友好型固定劑。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于土壤重金屬修復
，具體涉及一種鐵基生物炭材料及其制備的方法，以及采用該鐵基生物炭材料治理砷污染土壤的應用方法。
技術介紹
砷在地殼中的含量占第20位，是一種廣泛分布的有毒并致癌的化學元素。土壤中砷主要來源于農業(yè)和工業(yè)，如高砷煤的開采及使用等，使得煤中砷大量釋放，對水體及土壤環(huán)境造成嚴重污染，進而影響人類健康。土壤是砷的重要貯存庫和中轉站，土壤砷污染具有隱蔽性、長期性、不可逆性和富集性等特點，土壤中砷的移動性很大程度上取決于其存在形態(tài)，并決定了其毒性程度和生物對其的吸收利用。土壤砷污染問題已引起國內外的普遍關注和重視，并成為環(huán)境保護熱點研究領域。砷污染土壤修復無論是原位修復還是異位修復，其目的一般有兩種：(1)使砷從土壤中提取出來，減少土壤中砷污染物的總量。(2)砷仍然留在土壤中，通過氧化還原、固定、隔離、稀釋等方法達到降低土壤中砷毒性的目的。目前，砷污染土壤修復主要有物理、化學、生物和聯合修復等幾大類方法，如深耕翻土法、化學淋洗法、生物修復技術等。物理方法盡管被認為是短期內行之有效的方法，但對于大面積砷污染土壤，需要消耗的人力物力巨大，成本太高；淋洗法易造成二次污染，使土壤某些營養(yǎng)元素流失；生物修復法處理費用低，但所需修復周期較長，受污染類型限制較大。因此，亟需開發(fā)一種固定效果好、持效性強、對土壤理化性質影響較小的修復劑。據報道，鐵和砷存在著強親和力，能強吸附砷或與砷生成難溶沉淀。因此，鐵鹽(鐵基化合物)最常被用于砷污染土壤的治理。利用絲狀真菌高橫縱比和具有生物粘性等的特性，將具有高比表面積、高反應活性和強吸附的納米α-Fe2O3負載于菌絲體上，制成包埋有納米α-Fe2O3的菌絲球。該固定劑解決了納米α-Fe2O3在土壤中過于分散、容易流失的問題，但較難定量地運用于土壤修復中，距離工業(yè)應用還需作大量的改進。近年來生物炭材料在重金屬污染修復方面的應用逐步得到重視。生物炭是指將生物質原料于限氧或者厭氧的條件下，在較高溫度(＜700℃)中熱解生成的一類穩(wěn)定的、紋理細膩的富含碳的多孔狀固型材料。但是，生物炭材料可顯著提高土壤中砷的流動性與有效性。有研究報道，生物炭能夠降低土壤濾出液中Cd和Zn的濃度，但As的濃度卻明顯提高。另有研究報道，添加生物炭能改善水稻根際微環(huán)境和促進根表鐵膜的形成，水稻根中Cd、Zn和Pb的濃度能分別下降98％、83％和72％，但是，砷的濃度則增加了327％。因此，如何改善生物炭的組成與性質，將包埋有納米α-Fe2O3的菌絲球與生物炭的環(huán)境作用結合，制備出鐵基生物炭復合材料，實現土壤砷的有效固定，是極富挑戰(zhàn)性同時也是具有重大環(huán)境意義的工作。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種鐵基生物炭材料及其制備方法和在砷污染土壤治理中的應用，該鐵基生物炭材料固定修復效果好，成本較低，制備和應用方法簡單，不影響土壤理化性質，且對農作物無毒副作用，施用安全。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種鐵基生物炭材料的制備方法，包括以下步驟：(1)采用培養(yǎng)基活化及擴大培養(yǎng)絲狀真菌，備用；(2)將α-Fe2O3納米粒子加入液體培養(yǎng)基內分散；(3)納米粒子和培養(yǎng)基滅菌處理；(4)在超凈無菌操作臺內，將步驟(1)中已活化和培養(yǎng)的菌絲體接種至步驟(3)的滅菌培養(yǎng)基中；(5)步驟(4)中已接種的培養(yǎng)基振蕩培養(yǎng)形成的菌絲球。(6)取出步驟(5)中的菌絲球，放入烘箱烘干后將其熱解碳化。步驟(1)中所述絲狀真菌為一類呈絲狀，叢生，具有高橫縱比的真菌，包括曲霉和/或青霉。步驟(2)中將α-Fe2O3納米粒子加入液體培養(yǎng)基內，固液比為0.1-2g：100-200mL，超聲分散；所述α-Fe2O3納米粒子，要求粒徑<30nm，純度＞99.5％。所述超聲分散為采用功率50-100瓦的超聲波震蕩0.5-3h。步驟(3)中所述滅菌處理為將含α-Fe2O3納米粒子的培養(yǎng)基放入至滅菌鍋內，設置115℃，滅菌25min；高溫高壓滅菌后，含α-Fe2O3納米粒子的培養(yǎng)基放入超凈無菌操作臺內，開紫外燈滅菌30-90min。步驟(4)中接種比例為納米α-Fe2O3：液體培養(yǎng)基：菌液＝0.1-2g：100-200mL：0.5-3mL，菌液中菌絲體質量濃度為5.5-6mg/mL。步驟(5)將步驟(4)中已接種的培養(yǎng)基在26-30℃下轉速140-180rpm條件下培養(yǎng)2-4天。步驟(5)培養(yǎng)2-4天后，用去離子水潤洗形成的菌絲球2-5次后放置在質量濃度2.5-5％的戊二醛內于4℃下保存。步驟(6)中所述操作，用去離子水潤洗菌絲球2-5次后置于培養(yǎng)皿中，放入50-60℃烘箱烘干1-2天。步驟(6)中所述的熱解碳化為將烘干的菌絲球放入30-50mL瓷坩堝，加蓋，放入通有氮氣的高溫管式爐，設置升溫速率為120-300℃/h，碳化溫度280-600℃，保溫時間2-4h。一種鐵基生物炭材料，是由所述的方法制備而成的。所述的鐵基生物炭材料用于砷污染土壤的修復和治理。具體的應用方法，砷污染土壤加入所述的鐵基生物炭材料，再加入去離子水，質量比為土壤：鐵基生物炭材料：水＝100:(1-5)：(100-300)，混合均勻，處理時間至少7天。本專利技術具有如下優(yōu)勢：1.本專利技術以包埋有納米α-Fe2O3的菌絲球為原料，通過缺氧高溫碳化，形成具有特殊結構和功能的鐵基生物炭材料，充分結合了絲狀真菌(高橫縱比、具有生物粘性)、納米α-Fe2O3(具有豐富的羥基、巨大的比表面積、高吸附容量)和生物炭(具有大量的微孔結構和巨大的比表面積、吸附能力較強)的優(yōu)點，避免了納米α-Fe2O3因粒徑過小容易隨水流走的缺陷，也可方便地施加于污染土壤中。2.本專利技術選用絲狀真菌菌絲作為負載體。如黑曲霉是曲霉屬真菌中的一個常見種，來源廣泛，是公認的絲狀真菌研究的模式標本。菌絲生產成本極低，過程清潔可持續(xù)，加工無需昂貴的設備，便于大規(guī)模生產。3.本專利技術以納米α-Fe2O3為中心物質，采用黑曲霉菌絲包裹納米α-Fe2O3，再通過缺氧高溫碳化，制成用于砷污染土壤修復的鐵基生物炭材料。其特點主要在于鐵基生物炭材料投加進入砷污染土壤后，土壤中的部分砷被生物炭吸附，另一方面，鐵基生物炭材料會緩慢釋放出有效成分——α-Fe2O3，與土壤中的砷發(fā)生吸附作用，其表面的OH-、OH2等基團被砷取代，生成非晶態(tài)的砷酸鐵沉淀或難溶的次級氧化態(tài)礦物。緩慢釋放的納米級α-Fe2O3，可促進砷本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種鐵基生物炭材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)采用培養(yǎng)基活化及擴大培養(yǎng)絲狀真菌，備用；(2)將α?Fe2O3納米粒子加入液體培養(yǎng)基內分散；(3)納米粒子和培養(yǎng)基滅菌處理；(4)在超凈無菌操作臺內，將步驟(1)中已活化和培養(yǎng)的菌絲體接種至步驟(3)的滅菌培養(yǎng)基中；(5)步驟(4)中已接種的培養(yǎng)基振蕩培養(yǎng)形成的菌絲球。(6)取出步驟(5)中的菌絲球，放入烘箱烘干后將其熱解碳化。

【技術特征摘要】
1.一種鐵基生物炭材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)采用培養(yǎng)基活化及擴大培養(yǎng)絲狀真菌，備用；
(2)將α-Fe2O3納米粒子加入液體培養(yǎng)基內分散；
(3)納米粒子和培養(yǎng)基滅菌處理；
(4)在超凈無菌操作臺內，將步驟(1)中已活化和培養(yǎng)的菌絲體接種至
步驟(3)的滅菌培養(yǎng)基中；
(5)步驟(4)中已接種的培養(yǎng)基振蕩培養(yǎng)形成的菌絲球。
(6)取出步驟(5)中的菌絲球，放入烘箱烘干后將其熱解碳化。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述絲狀
真菌為一類呈絲狀，叢生，具有高橫縱比的真菌，包括曲霉和/或青霉。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中將α-Fe2O3納米
粒子加入液體培養(yǎng)基內，固液比為0.1-2g：100-200mL，超聲分散；所述超聲分
散為采用功率50-100瓦的超聲波震蕩0.5-3h；所述α-Fe2O3納米粒子，要求粒徑
<30nm，純度＞99.5％。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中接種比例
為納米α-Fe2O3：液體培養(yǎng)基：菌液＝0.1-2g：10...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：楊志輝，柴立元，侍維，粱麗芬，王海鷹，李青竹，唐崇儉，王慶偉，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43