花生壳生物炭对硝态氮的吸附机制研究

以花生壳为原料,300℃热解条件下制得生物炭。通过批量平衡吸附试验,结合吸附前后FTIR、XPS图谱表征分析探索硝态氮(NO-3-N)在生物炭表面的吸附机制。结果表明,生物炭对NO-3-N的吸附显著受溶液pH值影响,当pH6时有利于吸附的进行。随溶液初始NO-3-N浓度增加,生物炭对其吸附量逐渐增加,在初始浓度800 mg·L-1的吸附体系中,最大吸附量达40 mg·g-1,Freundlich方程可较好地拟合(R2=0.975)生物炭对NO-3-N等温吸附过程,吸附为非均一的多分子层吸附;生物炭对NO-3-N的吸附可在30 min达到平衡,伪二级动力学方程能够较好地描述吸附动力学过程,表明吸附以化学吸附为主。FTIR、XPS图谱分析表明,生物炭表面分布的羟基(-OH)、芳香环羰基(-C=O)及脂肪族醚类(-O-)等官能团参与了吸附过程,且与之相连的C原子结合能均增加。结合生物炭表面金属离子分布状况,综合分析认为,通过氢键形成和金属桥键作用是生物炭对NO-3-N吸附的主要机制。     

四种有机物料对Pb2+的吸附特性

为研究不同有机物料的性质特征以及对重金属离子的吸附能力,选用四种农林废弃物或其加工产物(锯末生物炭、玉米秸秆、鸡粪、食用菌菌渣),利用SEM、FTIR等方法对其形态和官能团进行表征,并通过对Pb~(2+)的批量吸附试验,考察了pH、时间、溶液初始浓度对吸附量的影响。结果表明,四种材料均能够有效吸附Pb~(2+),但吸附特性有一定差异。生物炭、秸秆、鸡粪最佳pH为5,且受pH影响较大;菌渣最佳pH为2,受pH影响不大。25℃、pH 5时四种材料均能较快地达到吸附平衡,且吸附量随时间的变化数据均符合准二级动力学模型,吸附量随初始浓度的变化数据均能较好地拟合Langmuir等温方程,其中生物炭的饱和吸附量远高于其他三种材料,达到411.52 mg·g~(-1),秸秆、鸡粪、菌渣的饱和吸附量分别为40.90、41.82、115.65 mg·g~(-1)。     

不同原料生物炭对铵态氮的吸附性能研究

为探讨不同原料生物炭对铵态氮吸附量及吸附机制,以花生壳、玉米秆、杨木屑和竹屑为原料,在500℃下充N_2保护热解制备生物炭,通过电镜扫面图(SEM)与傅立叶红外光谱图(FTIR)表征NH_4~+-N在生物炭表面的吸附特征,结合批量平衡吸附试验,对比研究不同原料生物炭对NH_4~+-N的吸附性能。结果表明:吸附后生物炭表面附着颗粒或粉末物质,孔隙被填充,表面变得较为平坦。四种生物炭表面分布的-OH、-C=O、-C-O,以及花生壳生物炭与玉米秆生物炭表面的-CH_3、-CH_2、-O-参与了吸附;Langmuir方程可以较好地拟合四种生物炭对NH_4~+-N的等温吸附;吸附均在50 min内达到平衡,伪二级动力学方程均可以较好地描述生物炭对NH_4~+-N的动力学吸附过程;在溶液pH=7.00条件下,初始浓度为800 mg·L~(-1)的体系中,四种生物炭对NH_4~+-N的最大吸附量为9.5~15 mg·g~(-1),吸附能力大小为花生壳生物炭玉米秆生物炭竹屑生物炭杨木屑生物炭。研究表明,生物炭表面含氧官能团对吸附NH_4~+-N起到决定性作用,吸附为单分子层吸附,且由快速反应所控制,四种生物炭中吸附性最好的是花生壳生物炭。     

不同作物原料生物质炭对溶液芘的吸附特性

采用小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳低温热裂解生成的生物质炭,通过控制吸附时间、溶液初始质量浓度和投加量,研究了不同作物原料生物质炭对芘的吸附性能,并比较了三者的解吸率。结果表明:3种生物质炭对芘的吸附约经12 h达到平衡,吸附动力学过程符合Lagergren准二级反应动力学模型;等温吸附均可用Langmuir方程和Freundlich方程拟合,且前者拟合程度稍好;玉米秸秆炭、小麦秸秆炭和花生壳炭在25℃下对芘的饱和吸附量分别为1667、714、370μg·g-1;在生物质炭投加量为500 mg·L-1时,3种生物质炭对芘的去除率均在90%以上;将吸附达平衡后的生物质炭进行连续6 d的解吸,发现3种生物质炭对芘的解吸率均在7%以下。因此,作物秸秆,尤其是玉米秸秆,热裂解成生物质炭可望作为去除水体多环芳烃污染的新型吸附材料。     

水稻秸秆生物炭和猪粪生物炭对镉的吸附性能

以猪粪和水稻秸秆为原料,在300 ℃和600 ℃的条件下制备生物炭,研究其对Cd²⁺的吸附性能,分析溶液初始pH值、吸附时间和Cd²⁺浓度对吸附的影响。结果表明:溶液初始pH值对生物炭吸附Cd²⁺有影响,当pH值从2.0升高至7.0时,生物炭对Cd²⁺的吸附量表现为先升高后趋于稳定。生物炭对Cd²⁺的吸附过程可以用准二级动力学方程较好地拟合(R²>0.99)。水稻秸秆生物炭对Cd²⁺的吸附约4 h达到平衡,而猪粪生物炭吸附对Cd²⁺的吸附约6 h达到平衡。生物炭对Cd²⁺的等温吸附过程可用Langmuir方程较好地拟合(R²>0.95),生物炭对Cd²⁺的吸附量随着热解温度的升高而增加,600 ℃制备的水稻秸秆生物炭的吸附量最大,达到59.84 mg·g^-1。     

玉米秸秆碱化处理制备的生物炭吸附锌的特性研究

为研究玉米秸秆碱化处理制备的生物炭对模拟废水中Zn的吸附特性,以玉米秸秆为原料制备玉米秸秆生物炭(BC),同时对玉米秸秆进行碱化浸渍处理来获得碱化改性生物炭(K-BC),并在此基础上研究了BC和K-BC对Zn的吸附动力学、吸附热力学以及pH对其吸附的影响,结合元素分析、比表面积孔径测定、扫描电镜及红外光谱等表征来分析其对Zn的吸附差异。结果表明:当Zn浓度为60 mg·L~(-1),BC和K-BC对Zn的吸附过程由快速吸附和慢速吸附2个阶段组成,且符合准二级动力学吸附模型;BC和K-BC对Zn的吸附量随温度(288~318 K)和Zn浓度(10~120 mg·L~(-1))的增加而增加,其中K-BC对Zn的理论饱和吸附量大于BC,且由Freundlich模型对吸附过程进行描述较为合适;热力参数表明BC和K-BC对Zn的吸附为自发、吸热和无序度增加的过程;在pH_2.0~5.0范围内,当pH为5.0时K-BC对Zn的吸附量最大,吸附率接近50%。由BC和K-BC结构表征及理化特性差异可以推知,这2种生物炭对Zn吸附差异来源于其比表面积、孔隙结构和芳香结构之间的差异。     

花生壳与花生壳生物炭对镉离子吸附性能研究

将花生壳(PS)改性制备成花生壳生物炭(PSB),研究了吸附时间(10~5760min)、吸附剂用量(0.1~5g)、镉离子溶液初始pH值(1~8)和浓度(10~800 mg·L-1)等因素对Cd2+去除效率的影响;利用场发射扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)与模型拟合分析,探讨了PS和PSB的吸附性能与机理。实验结果表明,PS和PSB是优良的生物质基吸附材料;pH为5.0、Cd2+溶液浓度为10mg·L-1、吸附剂添加量为4 mg·mL-1时,PS的去除效率为93.33%,PSB的去除效率为99.51%;吸附容量分别可达26.88 mg·g-1、28.99mg·g-1;Freundlich与Langmuir吸附模型均能较好地描述PS和PSB对Cd2+的等温吸附过程,以Freundlich模型略优。SEM电镜扫描和FTIR图谱分析表明PS和PSB对镉的吸附主要为多分子层的表层络合吸附:SEM分析表明PS和PSB在吸附Cd2+以后表面具有大量的颗粒附着物;FTIR分析表明PS与PSB吸附镉的主要机理为络合反应,PS参与络合反应的主要官能团为-CHO、-C=O、-OH和-P=O,PSB参与络合反应的主要官能团为-C=C-、-C≡C-、-C≡N和-OH等官能团。     

水中镉和芘在核桃壳生物炭上的吸附行为及其交互作用

以核桃壳在600℃热解所得生物炭(WSBC)为吸附剂,通过扫描电子显微镜(SEM)和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)对WSBC进行表征,用批平衡吸附实验研究了WSBC对水体中两种典型污染物Cd(Ⅱ)和芘的吸附特性,考察了吸附时间、Cd(Ⅱ)和芘初始浓度、pH值、WSBC粒径等对吸附的影响,以及Cd(Ⅱ)和芘在WSBC上吸附的交互作用。结果表明:WSBC表面粗糙,孔隙结构明显,富含羟基、羧基、羰基等含氧官能团,具有高度芳香和杂环结构;在25℃时,WSBC对Cd(Ⅱ)和芘的吸附分别在20 h和16h时达到平衡,饱和吸附量分别为23.79、0.17 mg·g-1;pH=5时,WSBC对Cd(Ⅱ)的吸附量最大,而pH在3~11范围内,WSBC对芘的吸附量随着pH的减小而增加。通过对吸附实验数据进行动力学、等温吸附特性分析,发现WSBC对Cd(Ⅱ)和芘的吸附动力学规律均符合准二级动力学方程,等温吸附可以用Langmuir方程很好地描述;Cd(Ⅱ)和芘在WSBC上吸附时存在明显的竞争吸附。     

不同改性生物炭对溶液中Cd的吸附研究

为研究生物炭对溶液中重金属Cd的吸附去除效果,进一步提升生物炭对Cd的吸附性能,以玉米芯、玉米秸秆、木屑为原料,分别在400℃、500℃、600℃和700℃密闭缺氧条件下热解制备生物炭,通过微波改性、Na OH改性方法对生物炭进行改性处理,研究初始浓度、溶液p H、吸附时间等因素对生物炭吸附Cd效果的影响,筛选出适合用于处理镉污染水体的生物炭品种。结果表明:当Cd浓度为100 mg/L时,玉米秸秆-600℃-Na生物炭(B-6-Na)对Cd的吸附可用Langmuir方程拟合,吸附量可达78.7 mg/g,去除率为78.7%,基本达到吸附平衡的时间为60~120 min;当溶液p H达到7时,三种生物炭对Cd吸附率均超过80%以上;600℃条件下经Na OH溶液改性制备的玉米秸秆生物炭能够更好地吸附溶液中的Cd。该研究结果为制备对污染物具有高效、深度净化功能的生物炭方法提供参考,在深入研究生物炭在重金属Cd污染修复的可行性方面提供理论支撑。     

生物炭-锰氧化物复合材料吸附砷(Ⅲ)的性能研究

以生物炭为对照,采用吸附试验,考察了炭-锰复合材料和生物炭对砷(Ⅲ)的吸附性能,应用Langmuir、Freundlich方程和吸附动力学方程分析了其对砷(Ⅲ)的吸附特征,并结合不同时间、吸附剂加入量及p H条件下对砷的吸附效果来探讨其吸附性能。结果表明,生物炭与炭-锰复合材料对砷(Ⅲ)的吸附均较迅速,在30 min内对砷(Ⅲ)的吸附即可达到最大,且吸附过程较符合准二级动力学方程(R2>0.99)。利用粒子分散模型进行拟合,发现炭-锰复合材料和生物炭吸附过程符合多过程吸附模型,炭-锰复合材料对砷的吸附能力明显提高,最大吸附容量从11.41 mg·g-1(生物炭)增加到20.08 mg·g-1(炭-锰复合材料),其吸附机制可能是炭-锰复合材料中的锰氧化物增加了复合材料表面的吸附位点;p H在3~7的范围内对复合材料吸附砷的影响作用不大。实验结果表明,炭-锰复合材料是一种很有发展前景的功能吸附材料。