鋁改性秸稈生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用的制作方法
【專利摘要】鋁改性秸稈生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用。所述秸稈生物質炭由花生秸稈、大豆秸稈、油菜秸稈或稻草中的一種或任意幾種的混合在350℃熱解而成。鋁改性秸稈生物質炭由秸稈生物質炭與0.6mol/L鋁溶液混合、堿化制成。鋁改性秸稈生物質炭去除水體中大腸桿菌的方法，在塑料瓶中將經過鋁改性的秸稈生物質炭與含大腸桿菌的水按1g/L的比例混合，旋轉振蕩，過濾分離固液相；或將含大腸桿菌的水直接流經填裝鋁改性生物質炭的淋溶柱，待反應達飽和狀態后取出生物質炭。將處理水體后的生物質炭焚燒，以殺滅大腸桿菌。該方法廉價、高效，不產生二次污染。
【專利說明】鋁改性秸稈生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬于水體凈化處理【技術領域】，涉及鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用。
[0003]
【背景技術】
[0004]大腸桿菌是水體中常見的致病微生物，飲用含大腸桿菌的水影響人和動物的健康。我國2006年頒布的《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)中專門規定了總大腸桿菌和耐熱大腸桿菌的指標。因此，有效去除水體中的大腸桿菌對保障飲水安全具有重要意義。
[0005]生物質炭(biomass-derivedblack carbon 或 biochar),也叫生物炭、生物質焦，是由植物生物質在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化產生的一類高度芳香化難熔性固態物質，屬于廣義概念上黑碳(black carbon)的一種類型。生物質炭的元素組成主要包括碳(一般高達60%以上)、氫、氧等，其次是灰分(包括鉀、鈣、鈉、鎂、硅等)。生物質炭的元素組成由最終炭化溫度決定，隨著最終炭化溫度的升高，其含碳量增加，氫和氧的含量降低，灰分含量亦有所增加。而灰分的元素組成與植物生長地的地質有關。生物質炭不僅由穩定芳香化結構組成，而且還含有許多脂肪族和氧化態碳結構物質。生物質炭顆粒內的碳形式可能取決于植物細胞結構中碳的特征、炭化條件以及形成過程(揮發性物質的濃縮或植物細胞直接炭化)。
[0006]我國農業生產中每年都產生大量農作物秸桿等農業廢棄物,將這些農業有機廢棄物經過厭氧低溫熱解后生成一種富`炭的固體物質稱為生物質炭，它是一種優良的吸附劑。生物質炭表面一般帶負電荷。細菌的大小在微米級，它主要以膠體顆粒狀懸浮與水體中，其表面也帶負電荷。因此，帶負電荷的生物質炭與帶負電荷的細菌之間由于存在靜電排斥力，相互之間的作用很弱。
[0007]
【發明內容】
[0008]技術問題:本發明的目的是去除水體中的大腸桿菌，使其達到可飲用的標準。將農作物秸桿低溫熱解制備成生物質炭，再用鋁離子對秸桿生物質炭進行改性，帶正電荷的改性生物質炭與帶負電荷的大腸桿菌發生較強相互作用并形成復合體，使大腸桿菌從水土中去除。
[0009]技術方案:鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用。
[0010]所述鋁改性秸桿生物質炭由秸桿生物質炭與0.3?0.6 mol/L AlCl3溶液按1:10 (g/mL)固/液比混合、調節pH至7.0、放置老化48小時制成。
[0011]所述秸桿生物質炭由花生秸桿、大豆秸桿、油菜秸桿或稻草中的一種或任意幾種的混合在350°c熱解而成。[0012]所述鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用，步驟為:將經過鋁改性的秸桿生物質炭與含大腸桿菌的水按lg/L的比例混合，旋轉振蕩，過濾分離固液相；或將含大腸桿菌的水直接流經填裝鋁改性生物質炭的淋溶柱，待反應達飽和狀態后取出生物質炭。
[0013]將處理后的生物質炭焚燒，已殺滅大腸桿菌。
[0014]所述淋溶柱底部鋪一層尼龍布，在尼龍布上均勻鋪20目石英砂，再鋪60目的石英砂，然后在石英砂上部均勻裝入鋁改性秸桿生物質炭，在鋁改性秸桿生物質炭上部再鋪一層尼龍布。
[0015]有益效果:當秸桿生物質炭與鋁溶液混合時，鋁離子在生物質表面吸附，當用NaOH將體系pH調至近中性時，吸附在生物質炭表面的鋁離子發生水解反應，形成羥基鋁并附著在生物質炭表面。由于鋁的羥基化合物表面帶大量正電荷，鋁改性后生物質炭由原先帶負電荷表面轉變為帶正電荷表面。大腸桿菌大小在微米級，表面帶負電荷，一般以膠體顆粒狀懸浮于水體中。由于帶負電荷的生物質炭表面與同樣帶負電荷的大腸桿菌之間存在靜電排斥力，它們之間的相互作用很弱。但表面帶正電荷的鋁改性生物質炭與大腸桿菌之間可發生較強的相互作用并形成復合體，使大腸桿菌很容易從水體中去除。鋁改性后生物質炭的比表面積也顯著增加，為大腸桿菌在生物質炭表面的粘附提供了更多的空間。將生物質炭與鋁溶液混合、調節PH后放置48小時可以增加鋁與秸桿生物質炭的結合強度及羥基鋁在生物質炭表面的均一化，使大腸桿菌能更有效地粘附于鋁改性生物質炭表面。改性后的生物質炭仍可用作生物質燃料，因此粘附大腸桿菌后的改性生物質炭可進行焚燒處置，殺滅大腸桿菌，整個過程不產生二次污染。
[0016]【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為未改性和不同初始濃度鋁改性的大豆秸桿炭對大腸桿菌粘附量的比較； 圖2為未改性和0.6 mol/L AlCl3改性的大豆秸桿炭對大腸桿菌去除率的比較；
圖3為鋁改性花生秸桿炭對 大腸桿菌的粘附量；
圖4為鋁改性花生秸桿炭對大腸桿菌的去除率；
圖5為鋁改性稻草炭對大腸桿菌的粘附量；
圖6為鋁改性稻草炭對大腸桿菌的去除率；
圖7為含大腸桿菌的水通過裝有鋁改性稻草炭的淋溶柱后淋出液大腸桿菌濃度；
圖8為含大腸桿菌的水通過裝有鋁改性稻草炭的淋溶柱后大腸桿菌的去除率。
[0018]【具體實施方式】
[0019]以下實施例進一步說明本發明的內容，但不應理解為對本發明的限制。在不背離本發明精神和實質的情況下，對本發明方法、步驟或條件所作的修改和替換，均屬于本發明的范圍。
[0020]若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段。
[0021]實施例1不同初始濃度鋁改性生物質炭對大腸桿菌的去除效果的比較。
[0022]分別在厭氧350°C條件下由風干的大豆秸桿制備生物質炭，再將生物質炭與AlCl3溶液反應制備鋁改性生物質炭。生物炭的具體制備步驟如下:將大豆秸桿風干、磨細過1_篩。將裝滿大豆秸桿的陶瓷坩堝置于馬弗爐中，按20°C /分鐘速度將溫度提高至350°C，維持4小時后關閉電源，待馬弗爐溫度降至室溫后取出大豆秸桿炭。鋁改性大豆秸桿炭的制備步驟如下:在磁力攪拌條件下將20g大豆秸桿炭添加到200mL初始濃度為0.3 mol/L的AlCl3溶液中，再用0.5 mol/L NaOH將pH調至7.0，維持2小時。于25°C恒溫培養箱放置48小時后離心分離，用去離子水洗滌I次，再用酒精洗至無Cl'室溫下風干、磨細。用相同方法將大豆秸桿炭與0.6 mol/L的AlCl3溶液反應制備鋁改性生物質炭。在反應池中將鋁改性秸桿生物質炭與含大腸桿菌懸液按lg/L的比例混合，以20轉/分鐘的速度旋轉攪拌70分鐘，過濾分離固液相。
[0023]圖1為大腸桿菌在未改性大豆秸桿炭和鋁改性大豆秸桿炭表面的粘附量。大腸桿菌在未經改性的大豆秸桿炭表面的粘附量較低，但經過鋁改性后，大腸桿菌在鋁改性生物質炭表面的粘附量顯著提高。0.6 mol/L AlClji性的生物質炭表面大腸桿菌的粘附量顯著高于0.3 mol/L AlCl3改性的生物質炭。圖2為大豆秸桿炭和0.6 mol/L AlCl3改性大豆秸桿炭對大腸桿菌的去除率，當大腸桿菌初始濃度小于0.63 mg/mL時,0.6 mol/L AlCl3改性大豆稻桿炭對大腸桿菌的去除率均達100%,大腸桿菌初始濃度為0.83 mg/mL時,0.6mol/LAlCl3改性大豆秸桿炭對大腸桿菌的去除率也達96%。在上述濃度范圍內，未改性大豆秸桿炭對大腸桿菌的去除率在55-78%之間，遠低于鋁改性大豆秸桿炭。因此，大腸桿菌在0.6mol/L AlCl3改性的大豆秸桿炭表面有很高的附著量，鋁改性大豆秸桿炭對大腸桿菌有很高的去除率，可用于含大腸桿菌水的凈化處理。
[0024]實施例2
鋁改性花生秸桿炭和稻草炭對大腸桿菌的去除效果的比較。
.[0025]按實施例1中的方法將350°C下制備的花生秸桿炭和稻草炭與0.6 mol/L的AlCl3溶液反應制備鋁改性生物質炭。再按實施例1中的方法研究大腸桿菌在鋁改性生物質炭表面的粘附量和去除率。圖3為鋁改性花生秸桿炭對大腸桿菌的粘附量。與0.6 mol/LAlCl3溶液改性的大豆秸桿炭相似，鋁改性的花生秸桿炭對大腸桿菌也有很高的粘附量，而未改性花生秸桿炭對大腸桿菌的粘附量很小。圖4為鋁改性花生秸桿炭對大腸桿菌的去除率。當大腸桿菌的初始濃度低于0.42 mg/mL時,招改性花生稻桿炭對大腸桿菌的去除率達100% ;當大腸桿菌初始濃度為0.63 mg/mL時，鋁改性花生秸桿炭對大腸桿菌去除率達96%。在上述濃度范圍內，未改性花生秸桿炭對大腸桿菌的去除率在11-30%之間。因此，鋁改性花生秸桿炭對水中大腸桿菌有很高粘附量和去除率，可用于含大腸桿菌水的凈化處理。
[0026]圖5為鋁改性稻草炭對大腸桿菌的粘附量，鋁改性稻草炭對大腸桿菌的粘附量雖略低于鋁改性大豆秸桿炭和鋁改性花生秸桿炭，但仍比未改性稻草炭對大腸桿菌的粘附量高得多。從圖6稻草炭和鋁改性稻草炭對大腸桿菌的去除率的結果可以看出，當大腸桿菌的初始濃度小于0.63 mg/mL時，鋁改性稻草炭對大腸桿菌的去除率在89%以上，但未改性稻草炭對大腸桿菌的去除率不超過28%。因此，鋁改性稻草炭對大腸桿菌也有很好的去除效果，可用于含大腸桿菌水的凈化處理。
[0027]實施例3淋溶條件下鋁改性稻草炭對大腸桿菌的去除效果。
[0028]按實施例2中的方法制備鋁改性稻草炭。在內徑2cm、長9cm的玻璃淋溶柱底部鋪一層尼龍布，在尼龍布上均勻鋪3 g 20目石英砂，再鋪2 g 60目的石英砂，然后在石英砂上部均勻裝入2 g鋁改性稻草炭，在稻草炭上部鋪一層尼龍布。用蠕動泵從淋溶柱上部均勻加入含0.5 mg/mL大腸桿菌的水，從淋溶柱底部收集淋出液，每IOmL為一次采樣。圖7為淋出液中大腸桿菌的濃度，共連續采樣152次，淋出液中大腸桿菌濃度均處于很低水平。圖8是淋溶過程中鋁改性稻草炭對大腸桿菌的去除率，從152次采樣中獲得的大腸桿菌的去除率均在95%以上。因此，淋溶條件下鋁改性生物質炭對大腸桿菌也表現出很好的去除效果。
[0029]用鋁離子改性秸桿生物質炭，制備的鋁改性秸桿生物質炭表面電荷性質發生變化，由原先的帶負電荷轉變為在酸性和中性條件下帶正電荷，因此可以與表面帶負電荷的大腸桿菌發生較強相互作物并形成復合體，使大腸桿菌從水體中去除。改性后的生物質炭仍是一種生物質燃料，處理水體后的生物質炭可進行焚燒處置，殺滅細菌，整個過程不產生
二次 污染。
【權利要求】
1.鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用。
2.根據權利要求1所述鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用，其特征在于所述招改性稻桿生物質炭由稻桿生物質炭與0.3?0.6 mol/L AlCl3溶液按1:10(g/mL)固/液比混合、調節pH至7.0、放置老化48小時制成。
3.根據權利要求1所述鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用，其特征在于所述秸桿生物質炭由花生秸桿、大豆秸桿、油菜秸桿或稻草中的一種或任意幾種的混合在350°C熱解而成。
4.根據權利要求1所述鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用，其特征在于步驟為:將經過鋁改性的秸桿生物質炭與含大腸桿菌的水按lg/L的比例混合，旋轉振蕩，過濾分離固液相；或將含大腸桿菌的水直接流經填裝鋁改性生物質炭的淋溶柱，待反應達飽和狀態后取出生物質炭。
5.根據權利要求4所述鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用，其特征在于將處理后的生物質炭焚燒，已殺滅大腸桿菌。
6.根據權利要求4所述鋁改性秸桿生物質炭在去除水體中大腸桿菌中的應用，其特征在于所述淋溶柱底部鋪一層尼龍布，在尼龍布上均勻鋪20目石英砂，再鋪60目的石英砂，然后在石英砂上部均勻裝入鋁改性秸桿生物質炭，在鋁改性秸桿生物質炭上部再鋪一層尼龍 布。
【文檔編號】C02F1/46GK103435130SQ201310256154
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年6月25日 優先權日:2013年6月25日
【發明者】徐仁扣, 趙安珍, 劉兆東, 顧天夏 申請人:中國科學院南京土壤研究所