CN105598158A - 一种磷基生物炭材料及其制备和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磷基生物炭材料及其制备和应用。本发明的磷基生物炭材料以包裹有纳米羟基磷灰石的菌丝球为原料，通过缺氧高温碳化，形成具有特殊结构和功能的磷基生物炭材料。将合成的磷基生物炭材料按一定比例与土壤混合均匀，经7天固定后，土壤中有效态镉降低了44.8-50.1％，优于纯磷基材料的处理效果。该材料制备过程简单，成本较低，可生物降解，无二次污染，是一种环境友好型材料。

Description

一种磷基生物炭材料及其制备和应用

技术领域

本发明属于土壤重金属修复技术领域，具体涉及一种磷基生物炭材料及其制备方法，以及采用该磷基生物炭材料治理镉污染土壤的应用方法。

背景技术

近期，以湖南为首的多省份的多批次大米被检出镉超标，频现的“镉米”事件，又将土壤重金属镉污染推向了风口浪尖。镉是生物毒性最强的重金属元素之一，在土壤中的化学活性强、毒性持久，容易通过食物链的富集作用危害人类健康。土壤重金属镉污染形势十分严峻，2014年4月公布的全国土壤污染状况调查公报显示，镉的点位超标率最高，正式被确定为中国土壤的首要污染物，迫切需要有效的土壤镉污染治理和控制技术。

重金属污染治理尤其是金属矿区周围的土壤重金属污染修复问题是世界性环境污染治理难题，已经受到国内外专家学者的广泛关注。目前，研究土壤重金属污染的治理途径主要有2个方面：一是以削减土壤中重金属的总量为目的，将污染物从土壤中去除，即将污染物从土壤转移到另一个地方；二是以改变重金属在土壤中的存在形态为目的，将污染物钝化，从可溶态或可交换态转变为难溶态，从而减少其在土壤中的迁移性和生物可利用性。国内外比较常用的处理手段有物理修复、化学修复、生物修复、农艺措施修复等。每种修复技术都有其优缺点。比如换土法和客土法适用于重度污染的小面积土壤，工程量大，费用高；电动修复法尚处于试验研究阶段，能耗大，投资成本高；化学淋洗法易破坏土壤理化性质；固化/稳定化法处理效果依固定剂而定，且存在一定的环境风险；生物修复法操作简便，对土壤无害，也无二次污染，但修复周期长，也不适用于高浓度污染土壤。因此，亟需开发一种固定效果好、持效性强、对土壤理化性质影响较小的修复剂。

磷基材料不仅能作为肥料提高农作物产量，还能够有效地固定土壤中的重金属，是一种价格低廉、修复高效的土壤固定剂。利用丝状真菌高横纵比和具有生物粘性等的特性，将具有高比表面积、高反应活性和强吸附的纳米羟基磷灰石(n-HAP)负载于菌丝体上，制成包埋有n-HAP的菌丝球。该固定剂解决了n-HAP在土壤中过于分散、容易流失的问题，但较难定量地运用于土壤修复中，距离工业应用还需作大量的改进。

生物炭因其具有发达的孔隙结构，表面含有大量的官能团和负电荷，对重金属离子有较强的吸附和固定能力，并且能够通过改变土壤理化性质，增强土壤对重金属镉的络合能力，有效地降低土壤镉污染程度，减轻重金属对作物生长的毒性作用。在控制和治理土壤镉污染方面具有广阔的应用前景。因此，结合两者的优势，如何将包埋有n-HAP的菌丝球与生物炭的环境作用结合，制备出磷基生物炭复合材料，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磷基生物炭材料及其制备方法和其在镉污染土壤治理中的应用，该磷基生物炭材料固定修复效果好，成本较低，制备和应用方法简单，不影响土壤理化性质，且对农作物无毒副作用，施用安全。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种磷基生物炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用培养基活化及扩大培养丝状真菌，备用；

(2)将羟基磷灰石纳米粒子加入液体培养基内分散；

(3)纳米粒子和培养基灭菌处理；

(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化和培养的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中；

(5)步骤(4)中已接种的培养基振荡培养形成的菌丝球。

(6)取出步骤(5)中的菌丝球，放入烘箱烘干后将其热解碳化。

步骤(1)中所述丝状真菌为一类呈丝状，丛生，具有高横纵比的真菌，包括曲霉和/或青霉。

步骤(2)中将羟基磷灰石纳米粒子加入液体培养基内，固液比为0.1-2g：100-200mL，所述羟基磷灰石纳米粒子，要求粒径<100nm，纯度＞97％；采用超声分散，功率50-100瓦，超声波震荡0.5-3h。

步骤(3)中所述灭菌处理为将含羟基磷灰石纳米粒子的培养基放入至灭菌锅内，设置115℃，灭菌25min；高温高压灭菌后，含羟基磷灰石纳米粒子的培养基放入超净无菌操作台内，开紫外灯灭菌30-90min。

步骤(4)中接种比例为纳米羟基磷灰石：液体培养基：菌液＝0.1-2g：100-200mL：0.5-3mL，菌液中菌丝体质量浓度为5.5-6mg/mL。

步骤(5)将步骤(4)中已接种的培养基在26-35℃下转速140-180rpm条件下培养2-4天。

步骤(5)培养2-4天后，用去离子水润洗形成的菌丝球2-5次后放置在质量浓度2.5-5％的戊二醛内于4℃下保存。

步骤(6)中用去离子水润洗菌丝球2-5次后置于培养皿中，放入50-60℃烘箱烘干1-2天。

步骤(6)中所述的热解碳化为将烘干的菌丝球放入30-50mL瓷坩埚，加盖，放入通有氮气的高温管式炉，设置升温速率为120-300℃/h，碳化温度280-600℃，保温时间2-4h。

一种磷基生物炭材料，是由所述的方法制备而成的。

所述的磷基生物炭材料的应用，用于镉污染土壤的修复。

所述的磷基生物炭材料在镉污染土壤治理中的具体应用方法，镉污染土壤加入所述的磷基生物炭材料，再加入去离子水，质量比为土壤：磷基生物炭材料：水＝100:(1-5)：(100-300)，混合均匀，处理时间至少7天。

本发明具有如下优势：

1.本发明以包埋有纳米羟基磷灰石的菌丝球为原料，通过缺氧高温碳化，形成具有特殊结构和功能的磷基生物炭材料，充分结合了丝状真菌(高横纵比、具有生物粘性)、纳米羟基磷灰石(高比表面积、高反应活性、强吸附)和生物炭(具有大量的微孔结构和巨大的比表面积、吸附能力较强)的优点，解决了n-HAP在土壤中过于分散、容易流失的问题，也可方便地施加于污染土壤中。

2.本发明选用丝状真菌菌丝作为负载体。如黑曲霉是曲霉属真菌中的一个常见种，来源广泛，是公认的丝状真菌研究的模式标本。菌丝生产成本极低，过程清洁可持续，加工无需昂贵的设备，便于大规模生产。

3.本发明以纳米羟基磷灰石为中心物质，采用黑曲霉菌丝包裹纳米羟基磷灰石，再通过缺氧高温碳化，制成用于污染土壤修复的磷基生物炭材料。其特点主要在于磷基生物炭材料投加进入镉污染土壤后，土壤中的部分镉被生物炭吸附，另一方面，缓慢释放出来的羟基磷灰石逐渐在土壤溶液中溶解，Cd²⁺与羟基磷灰石中的Ca²⁺发生离子交换，或被羟基磷灰石表面晶格中的金属离子吸附，将镉从易于被生物体吸收的生物有效态向低活性形态转变。另外，该材料性能稳定，被生物炭包裹的纳米级羟基磷灰石粉体释放缓慢，能够保持长期的有效性，且磷释放量不大，不会造成水体富营养化。

4.本发明合成的磷基生物炭材料，在同等使用纳米材料的前提下，更经济有效。即在同样修复效果的前提下，磷基生物炭材料中的纳米材料使用量比单纯施加纳米材料的使用量要少。

5.本发明合成的磷基生物炭材料为环境友好材料，主要元素组成为钙、磷、碳。生物炭能够改善土壤理化性质，加快土壤微生物代谢，提高土壤肥力。在应用过程中无毒害，可生物降解，无二次污染。

附图说明

图1为本发明实施例1磷基生物炭材料合成的工艺流程图；

图2为本发明黑曲霉菌丝球的扫描电镜图(SEM)；

图3为本发明包裹有n-HAP菌丝球(未经炭化)的扫描电镜图(SEM)；

图4为本发明磷基生物炭材料的扫描电镜图(SEM)；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例旨在对本发明做进一步详细说明，而非限制本发明。

实施例1

制备本发明修复镉污染土壤的磷基生物炭材料：

(1)采用PDA培养基活化及扩大培养黑曲霉(Aspergillusniger)，购于中国典型培养物保藏中心，菌种编号CCTCCAF91006；

(2)1.0g的羟基磷灰石纳米粒子(粒径<100nm，纯度＞97％)加入至200mL的液体PDA培养基内，采用功率100瓦的超声波超声分散2h；

(3)将含纳米羟基磷灰石的PDA培养基放入至高温高压灭菌锅内，设置115℃，灭菌25min。高温高压灭菌后，培养基转移至超净无菌操作台内，开紫外灯灭菌60min；

(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中，接种量为2mL；菌液中菌丝体质量浓度为5.89mg/mL；

(5)步骤(4)中已接种的培养基置于气浴摇床中振荡，35℃下培养2-3天，转速为150rpm；

(6)2-3天后，用去离子水润洗步骤(5)中形成的菌丝球3次，后放置在质量浓度2.5％的戊二醛内于4℃下保存。

(7)用吸管逐个吸取戊二醛溶液中的菌丝球，用去离子水润洗菌丝球3次后置于培养皿中，放入60℃烘箱烘干1天。

(8)将烘干的菌丝球放入30mL瓷坩埚，加盖，放入通有氮气的高温管式炉，设置升温速率为300℃/h，碳化温度450℃，保温时间2h。

(9)待炉温下降至室温，取出样品，即为本发明产品。

实施例2

土壤取自某铅锌尾矿库周边低污染水稻土。供试土壤剔除砾石和碎根后自然风干，四分法混匀，碾碎过18目尼龙筛。土壤pH值为6.58，呈弱酸性。土壤中有效态Cd含量为7.01mg/kg。

分别将0.2g实施例1中的磷基生物炭材料(含n-HAP量与称取的纯n-HAP量相等)与纯n-HAP添加进入5.0g低污染土壤中，混合均匀，加入10mL的水，固定7天后，用25mLDTPA提取土壤中镉的有效态。经检测，低污染土壤经磷基生物炭材料或纯n-HAP处理前后镉有效态含量如下表1所示。

表1低污染土壤处理前后有效态Cd含量

	有效态Cd(mg/kg)	固定率
			低污染土壤	7.010	—
经磷基生物炭材料处理后	3.50	50.1％
			经纯n-HAP处理后	3.85	45.1％

实施例3

土壤取自某铅锌尾矿库周边中度污染水稻土。供试土壤剔除砾石和碎根后自然风干，四分法混匀，碾碎过18目尼龙筛。土壤pH值为6.52，呈弱酸性。土壤中有效态Cd含量为36.8mg/kg。

分别将0.2g实施例1中的磷基生物炭材料(含n-HAP量与称取的纯n-HAP量相等)与纯n-HAP添加进入5.0g中污染土壤中，混合均匀，加入10mL的水，固定7天后，用25mLDTPA提取土壤中镉的有效态。经检测，中污染土壤经磷基生物炭材料或纯n-HAP处理前后镉有效态含量如下表2所示。

表2中污染土壤处理前后有效态Cd含量

实施例4

土壤取自某铅锌尾矿库周边水稻土。供试土壤剔除砾石和碎根后自然风干，四分法混匀，碾碎过18目尼龙筛。土壤pH值为5.90，呈酸性。土壤中有效态Cd含量分别为127.0mg/kg，与实施例2、3相比，酸度明显增加，污染程度非常重，称为高污染土壤。

分别将0.2g实施例1中的磷基生物炭材料(含n-HAP量与称取的纯n-HAP量相等)与纯n-HAP添加进入5.0g高污染土壤中，混合均匀，加入10mL的水，固定7天后，用25mLDTPA提取土壤中镉的有效态。经检测，高污染土壤经磷基生物炭材料或纯n-HAP处理前后镉有效态含量如下表3所示。

表3高污染土壤处理前后有效态Cd含量

	有效态Cd(mg/kg)	固定率Cd
			高污染土壤	127.0	—
经磷基生物炭材料处理后	70.1	44.8％
			经纯n-HAP处理后	93.6	26.3％

Claims (10)

1.一种磷基生物炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用培养基活化及扩大培养丝状真菌，备用；

(2)将羟基磷灰石纳米粒子加入液体培养基内分散；

(3)纳米粒子和培养基灭菌处理；

(4)在超净无菌操作台内，将步骤(1)中已活化和培养的菌丝体接种至步骤(3)的灭菌培养基中；

(5)步骤(4)中已接种的培养基振荡培养形成的菌丝球；

(6)取出步骤(5)中的菌丝球，放入烘箱烘干后将其热解碳化。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述丝状真菌为一类呈丝状，丛生，具有高横纵比的真菌，包括曲霉和/或青霉。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中将羟基磷灰石纳米粒子加入液体培养基内，固液比为0.1-2g：100-200mL，所述羟基磷灰石纳米粒子，要求粒径<100nm，纯度＞97％；采用超声分散，功率50-100瓦，超声波震荡0.5-3h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中接种比例为纳米羟基磷灰石：液体培养基：菌液＝0.1-2g：100-200mL：0.5-3mL，菌液中菌丝体质量浓度为5.5-6mg/mL。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)将步骤(4)中已接种的培养基在26-35℃下转速140-180rpm条件下培养2-4天。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)培养2-4天后，用去离子水润洗形成的菌丝球2-5次后放置在质量浓度2.5-5％的戊二醛内于4℃下保存。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中用去离子水润洗菌丝球2-5次后置于培养皿中，放入50-60℃烘箱烘干1-2天。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述的热解碳化为将烘干的菌丝球放入30-50mL瓷坩埚，加盖，放入通有氮气的高温管式炉，设置升温速率为120-300℃/h，碳化温度280-600℃，保温时间2-4h。

9.一种磷基生物炭材料，其特征在于，是由权利要求1-8任一项所述的方法制备而成的。

10.权利要求9所述的磷基生物炭材料的应用，其特征在于，用于镉污染土壤的修复。