高低硅秸秆生物炭的表征及对Cd2+的吸附特性与机理

采用野生型水稻（WT,高硅）和硅缺失突变体水稻（lsi1,低硅）秸秆为原材料制备成300、500、700℃ 3种温度生物炭,探究高低硅秸秆生物炭对Cd²⁺的吸附特性及作用机制。野生型和突变型水稻秸秆原料总硅含量分别为17.88%和7.42%,制备出的高硅生物炭相对于低硅生物炭具有较高的硅含量、较大的比表面积和孔径。通过元素分析、电镜能谱扫描分析（SEM-EDS）、傅里叶红外光谱分析（FTIR）以及比表面积分析（BET-N₂）等对两种生物炭进行分析,结果表明随温度上升两类生物炭均表现出产率下降、pH增大、比表面积上升,高低硅生物炭均能在471、788、1 090 cm^-1波峰处观察到Si-O-Si键。吸附实验表明,高低硅生物炭均在pH为6、固液比为1 g·L^-1时对水溶液中Cd²⁺吸附效果最佳。吸附动力学模型结果表明,高低硅生物炭的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型（R² >0.9）,说明该过程以化学吸附为主。通过Langmuir和Freundlich模型进行等温吸附拟合,均能较好反映出高低硅生物炭的吸附行为与特性。结合高低硅生物炭的基本理化性质、FTIR分析和SEM-EDS观察的结果表明生物炭吸附机制主要为离子交换、沉淀和官能团络合作用。研究表明,热解温度较高的高硅生物炭吸附效果更好,这可能与其具有较高的硅含量、较大的比表面积与孔体积、较多的阳离子及较为丰富的官能团有关。     

芦苇生物质炭对镉的吸附及机制

为解决重金属废水处理问题，寻求芦苇的新型资源化利用途径，采用限氧热解方法在不同温度下制备芦苇生物质炭（RBC）。在对芦苇生物质炭进行元素分析的基础上，进行吸附动力学实验和等温吸附实验，并通过扫描电镜（SEM）、傅立叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等表征方法，探究不同热解温度对RBC吸附Cd²⁺的影响及吸附机制。结果表明： RBC对Cd²⁺的吸附过程更符合准二级吸附动力学方程，Langmuir等温吸附模型能更好描述RBC对Cd²⁺的吸附；500℃下制备得到的RBC产率较高，Cd²⁺吸附量最大，理论吸附量可达39.05 mg·g^-1；吸附Cd²⁺后，RBC表面生成粒状结构，XRD谱图出现CdCO₃和CdSiO₃晶型的峰，推断Cd²⁺分别能与CO₃^2-与SiO₃^2-形成沉淀。研究表明，芦苇生物质炭的最优热解温度为500℃，此温度下产率最高，对Cd²⁺的吸附能力最强，吸附Cd²⁺的机制可能为阳离子交换、沉淀吸附、络合和Cd²⁺-π金属键合共同作用。     

腐植酸和巯基改性生物炭对水中Cd2+的吸附性能和机制研究

本研究以水稻秸秆为原料制备生物炭（BC300），通过使用腐植酸和3-巯丙基三甲氧基硅烷（3-MPTS）丰富其表面官能团，得到腐植酸改性生物炭（HBC300）和巯基改性生物炭（SBC300）两种改性生物炭，分析改性生物炭对Cd²⁺的吸附能力，借助FT-IR、XPS和Boehm滴定等表征手段和密度泛函理论（DFT）计算探究改性生物炭的理化性质及官能团对吸附Cd²⁺的作用。结果表明：改性过程改变了生物炭的理化性质，HBC300表面增加了COOH和OH官能团，而SBC300表面COC、CO和SH官能团增多。通过丰富其生物炭表面官能团提升了生物炭对Cd²⁺吸附反应速率和吸附性能，表现出改性生物炭在水中去除Cd²⁺的潜力。其中，SBC300对Cd²⁺吸附效果最佳，其最大平衡吸附容量为49.5 mg·g^-1，但吸附反应速率小于HBC300，符合准二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型，此吸附过程为单分子层吸附并受化学吸附控制。表征数据及DFT计算拟合数据结果表明，生物炭表面修饰官能团加快了对Cd²⁺吸附反应速率，但COC和CO官能团限制了SBC300对Cd²⁺的吸附反应速率。     

不同作物秸秆生物炭对溶液中Pb2+、Cd2+的吸附

为研究秸秆生物质炭的性质特征对其吸附重金属的影响,在限氧条件下将粉碎的小麦、水稻、玉米秸秆于450℃热裂解制备三种秸秆炭。研究了三种秸秆炭对溶液中Pb²⁺、Cd²⁺的吸附特性,并对其性质特征进行了测定分析。结果表明:三种秸秆炭对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附符合准二级动力学模型,小麦、水稻、玉米三种秸秆炭对Pb²⁺的吸附速率分别为0.044、0.019、0.012 mg·g^-1·h^-1,对Cd²⁺的吸附速率分别为0.195、0.164、0.070 mg·g^-1·h^-1.三者对不同浓度下Pb²⁺、Cd²⁺的吸附符合Langmuir等温吸附模型,小麦、水稻、玉米三种秸秆炭对Pb²⁺的吸附容量分别为99.65、110.31、88.82 mg·g^-1,对Cd²⁺的吸附容量分别为30.64、29.39、21.47 mg·g^-1;在溶液pH 2.5~3.5时,三者对溶液中Pb²⁺、Cd²⁺的去除率急剧增加。小麦和水稻秸秆炭含有较高的碳酸盐、磷酸盐等无机矿物组分以及相对较高的阳离子交换量,对溶液中的Pb²⁺、Cd²⁺的去除可能是由于化学沉淀作用较强烈,而玉米秸秆炭的有机碳及官能团含量较高,孔隙结构较好,比表面积大,可能主要通过表面吸附及官能团的络合作用去除溶液中Pb²⁺、Cd²⁺.     

壳聚糖、铁锰改性稻壳生物炭的表征及其Cd2+吸附性能研究

为改善稻壳炭对Cd²⁺的吸附能力，分别选用壳聚糖、硝酸铁与高锰酸钾对稻壳生物炭进行改性，成功制备了壳聚糖改性稻壳炭（C-BC）和铁锰改性稻壳炭（FM-BC），表征了各稻壳炭的基础理化性质，包括比表面积分析（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射表征（XRD），进行了动力学吸附实验和等温吸附实验，并在不同pH和投加量条件下，研究了改性生物炭对Cd²⁺的吸附量和去除率。结果表明：两种改性方式均减小了稻壳炭的比表面积和总孔隙体积； FM-BC含有Mn-O、Fe-O的特征官能团，此外改性前后稻壳炭的官能团类型基本不变；两种改性方式均使稻壳炭产生了对应的晶体结构变化。两种改性炭对Cd²⁺动力学吸附特征均符合准二级动力学模型，颗粒内扩散模型均分为3个阶段，对Cd²⁺等温吸附特征均符合Langmuir模型； C-BC和FM-BC的最大吸附量分别为25.51 mg·g^-1和16.25 mg·g^-1，是BC （14.97 mg·g^-1）的1.7倍和1.08倍。随着溶液pH增加，C-BC和FMBC的吸附量和去除率逐渐增加，且始终高于BC；随着投加量的增加，C-BC和FM-BC的Cd²⁺去除率逐渐增加，而吸附量逐渐降低。两种改性方式均能够在一定程度上提高稻壳炭对Cd²⁺的吸附能力，均以单分子层化学吸附占主导，C-BC的最大吸附量明显高于FM-BC，适度调整溶液pH和投加量可改善改性稻壳炭的Cd²⁺吸附效果。     

施用玉米秸秆生物炭对镉生物有效性及其胁迫下生菜生长的影响

为明确施用玉米秸秆生物炭对重金属镉（Cd）生物有效性及其产生的植株生长胁迫效应的影响,本研究向模拟土壤溶液中加入0%和2%（m/V）的玉米秸秆生物炭,在不同pH值（4.3和7.0）条件下,通过等温吸附实验分析了Cd²⁺在生物炭上的吸附行为,并结合生菜（Lactuca sativa var.longifolia）幼苗植株的生长、根毒性及其Cd积累量的研究,探讨了生物质炭影响下Cd生物有效性与其环境行为之间的关系。结果表明,生物炭表面负电荷量随溶液pH值的增大而增加,玉米秸秆生物炭能够通过静电效应吸附Cd²⁺;Langmuir方程能够较好地拟合Cd²⁺在玉米秸秆生物炭上的吸附行为,且方程表征的Cd²⁺最大吸附量参数Q_m随pH值的增大而增加。生菜幼苗的根长和干质量均随生物炭的施加而增大,而根中Cd积累量则随生物炭的施加而降低;与模拟土壤溶液中Cd总量（Cd_total）和根中Cd积累量相比,溶液中Cd²⁺浓度指标能够更好地预测幼苗根伸长抑制率RRE（r²=0.80,P<0.001）和根中Cd积累量（r²=0.88,P<0.001）。上述研究结果表明,施加玉米秸秆生物炭能够有效降低重金属污染物的生物有效性及其生态环境风险。     

两性-非离子表面修饰剂复配修饰塿土吸附Cd2+的动力学

【目的】研究两性表面修饰剂和非离子表面修饰剂复配修饰塿土对重金属Cd²⁺的吸附动力学特征,为两性-非离子表面修饰剂复配修饰塿土对重金属Cd²⁺的吸附特征和机制的研究提供理论依据。【方法】以原土,即未修饰塿土(CK)为对照,以十二烷基二甲基甜菜碱(BS)作为两性表面修饰剂,辛烷基酚聚氧乙烯醚(OP)作为非离子表面修饰剂,采用批处理方法,研究20,40 ℃时,BS单一修饰和不同比例BS与OP复配修饰塿土对Cd²⁺的吸附动力学。【结果】在20和40 ℃,BS-OP复配修饰土娄土吸附Cd²⁺的快速吸附阶段平均速度（V_f）分别表现为100% BS>50% BS≈50% BS+50% OP>100% BS+100% OP≈100% BS+50% OP>CK>50% BS+100% OP;100% BS>100% BS+50% OP>100% BS+100% OP>50% BS>50% BS+50% OP≈50% BS+100% OP>CK。BS修饰比例相同时,修饰塿土的V_f总体上随着OP修饰比例增大而下降;OP修饰比例相同时,随着BS修饰比例的增加,修饰塿土的V_f均增大。【结论】在两性-非离子表面修饰剂复配修饰土娄土对Cd²⁺的吸附过程中,BS起促进作用,OP起抑制作用,描述修饰塿土吸附Cd²⁺的较佳模型是双常数动力学模型。     

煤基NaA分子筛材料的合成及其对Cd2+的吸附

为实现废弃物资源化利用,采用煤矸石为原料制备分子筛环境修复材料。通过对煤矸石（CG）的硅铝比进行调节,利用煅烧-水热晶化法分别在500℃和750℃下成功合成了NaA-500和NaA-750两种煤基NaA分子筛材料。进一步采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等表征方法探讨了分子筛的结构特征和表观形貌,并对吸附过程进行吸附动力学和等温吸附线的研究分析,以深入探究其对Cd²⁺的吸附特性。结果表明：相比煤矸石,NaA-750和NaA-500对Cd²⁺的最高吸附量分别为392.9 mg·g^-1和208.9 mg·g^-1,分别是煤矸石的4.5倍和2.4倍,且NaA-750和NaA-500对Cd²⁺的吸附过程遵循准二级动力学规律。吸附等温线结果显示,NaA-500和NaA-750对Cd²⁺的吸附符合Langmuir等温吸附模型。综上所述,以煤矸石为原料制备的NaA型分子筛对Cd²⁺的吸附能力明显提升且具有较高的吸附容量,对去除废水中Cd²⁺具有潜在应用价值。     

猕猴桃木生物质炭对溶液中Cd2+、Pb2+的吸附及应用研究

为探讨生物质炭对废水中重金属的吸附性能,以猕猴桃修剪枝为原料制备生物质炭,通过静态吸附法研究了其对复合溶液中Cd²⁺、Pb²⁺的吸附,探究了溶液初始浓度、吸附时间、pH值及生物质炭投加量对溶液中Cd²⁺、Pb²⁺吸附效果的影响,同时采用扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）对吸附前后的生物质炭结构进行了表征,并讨论了其对养殖废水和垃圾渗滤液中Cd²⁺和Pb²⁺的吸附能力。结果表明：猕猴桃木生物质炭具有多孔结构和多种表面官能团。Cd²⁺、Pb²⁺的最优吸附条件是pH为4~6,120 min吸附达到平衡,最佳投加量分别为4.0、3.0 g·L^-1,最大吸附量分别为9.35、65.9 mg·g^-1。生物质炭对Cd²⁺、Pb²⁺的吸附过程用准二级动力学方程能较好地描述;在25℃条件下,生物质炭对Cd²⁺的吸附用Langmuir方程能更好地描述,其理论最大吸附量达13.1 mg·g^-1,而生物质炭对Pb²⁺的吸附过程用Freundlich方程能更好地描述。猕猴桃木生物质炭可作为处理轻度重金属复合污染废水的吸附剂。     

生物炭/凹凸棒石复合材料对铅镉的吸附

为探讨生物炭/凹凸棒石复合材料对废水中重金属的吸附效果与作用机理,以水稻、小麦秸秆与凹凸棒石为原料,在缺氧条件下热解制备生物炭/凹凸棒石复合材料。通过批量吸附实验研究时间、浓度及pH等因素对复合材料吸附溶液中Cd²⁺和Pb²⁺的影响,利用SEM、BET、XRD、FTIR等方法对吸附前后的复合材料进行表征分析,从定性和定量的角度分析其作用机理,明确主导吸附机制。结果表明：准二级动力学和Langmuir等温模型更符合复合材料对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附过程。与原始生物炭和凹凸棒石相比,水稻秸秆与凹凸棒石比例为5∶1时制备的复合材料RABC5-1和小麦秸秆与凹凸棒石比例为3∶1时制备的复合材料WABC3-1具有更好的吸附效果,对Cd²⁺的最大吸附量分别为132.97 mg·g^-1与132.39 mg·g^-1,对Pb²⁺的最大吸附量分别为222.60mg·g^-1与220.55 mg·g^-1。机理分析表明,复合材料对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附机理主要包括沉淀作用、官能团络合作用、离子交换作用和阳离子-π作用。定量分析进一步证明,沉淀作用在RABC5-1、WABC3-1吸附Cd²⁺的过程中所占比例分别为84.6%、77.3%,在吸附Pb²⁺的过程中所占比例分别为82.0%、78.3%,是复合材料吸附重金属的主要机理,其次为阳离子交换作用,官能团络合作用和阳离子-π作用对吸附的整体贡献率较小。研究表明,复合材料RABC5-1与WABC3-1具有良好的吸附Cd²⁺和Pb²⁺的性能,是一种极具潜力的吸附材料,且沉淀作用是复合材料吸附重金属的主导机制。     

两种生物炭对Pb的吸附特性研究

以木子壳、米糠为前驱体,650℃制备生物炭,通过扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪和比表面积分析仪等手段表征其物理化学性质,探究粒径、矿物组分、初始浓度及时间等因素对生物炭吸附Pb~(2+)效果的影响。结果表明,木子壳生物炭比表面积虽远小于米糠生物炭,但对溶液中Pb~(2+)有很强的吸附效果,等温吸附曲线符合Langmuir吸附模型,最大吸附量达165.62 mg·g~(-1),明显高于米糠生物炭(58.92 mg·g~(-1))。同时XRD分析显示木子壳生物炭含大量矿物组分且吸附Pb~(2+)后有沉淀生成。     

土壤中铜与阿特拉津交互作用下的吸附行为研究

农业土壤中重金属-有机农药复合污染普遍存在,以常见的重金属污染元素铜和具有代表性的三嗪类除草剂阿特拉津(AT)为目标物,通过批量平衡吸附实验考查了两者共存时的吸附等温线变化,并对交互作用下离子强度、有机质含量和p H值等因素对两者吸附过程的影响进行了研究,以期揭示铜与阿特拉津吸附过程的交互作用规律以及土壤环境因子对吸附交互作用的影响。结果表明:在土壤-水体系中,AT和Cu2+的吸附行为发生了交互影响,Cu2+的存在减小了土壤中AT的吸附;低浓度的AT明显抑制了Cu2+的吸附,而在较高浓度时(≥5 mg·L-1),抑制作用随AT浓度增加而减弱。交互作用下,有机质含量的影响与单一吸附情况相同,有机质含量减少,两者的吸附量皆下降;离子强度和p H值的影响与单一污染相比有所变化,两者的吸附量皆随离子强度增加而减少,其中AT的变化趋势与单独存在时相反;实验范围内,酸性条件对土壤吸附铜的抑制作用变得不再明显。     

微生物陈化可提升麦秆水热炭对Cd2+吸附性能

为提升水热炭对Cd~(2+)的吸附性能,使用麦秆水热炭,在厌氧发酵条件下对其进行微生物陈化改良,通过扫描电镜(SEM)、比表面积和孔分析(BET)、红外光谱分析(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)等现代技术手段对水热炭微生物改良前后的表面特性进行了系统表征,并通过吸附实验考察了微生物陈化过程对水热炭吸附Cd~(2+)的过程及机制。结果表明:随陈化时间的增加,水热炭的比表面积提升近5倍;pH由酸性逐渐接近中性;水热炭陈化后表面负电荷增多;O/C增加、H/C减少;表面C-C键强度降低,而含氧官能团相对强度增加。微生物陈化过程显著提升了水热炭对Cd~(2+)的吸附能力。微生物陈化水热炭对Cd~(2+)的吸附能力与体系pH值和温度呈正相关。微生物陈化水热炭对Cd~(2+)的吸附机制以化学吸附为主导,主要为单分子层均相吸附;官能团络合、表面静电作用、离子交换、π键配位作用对Cd~(2+)的吸附起到了重要作用。研究表明,微生物陈化处理可显著改变水热炭的孔隙结构并提升对Cd~(2+)的吸附性能。     

BS+DT和BS+SDS复配修饰红壤对Cd2+吸附的比较

为了比较两性-阳离子和两性-阴离子复配修饰可变电荷土壤对Cd~(2+)吸附的差异,采用阳离子型表面修饰剂十二烷基三甲基溴化铵(DT)和阴离子型表面修饰剂十二烷基磺酸钠(SDS)分别对十二烷基二甲基甜菜碱(BS)两性修饰红壤进行复配修饰,以批处理法研究各供试土样的等温吸附及热力学特征,并对比了修饰比例、温度、pH和离子强度对吸附的影响。结果表明:阳、阴离子对两性修饰红壤的复配修饰具有相反的效应,BS+DT复配修饰红壤对Cd~(2+)吸附量随DT修饰比例的增加而减小,BS+SDS复配修饰红壤对Cd~(2+)的吸附量随SDS修饰比例的增加而增加。供试土样对Cd~(2+)饱和吸附量呈现出BS+SDSBSCK(红壤)BS+DT的规律,Sips模型能够较好地描述Cd~(2+)在各供试土样上的吸附机制。各供试土样对Cd~(2+)的吸附均呈现出吸热、熵增、自发的特征,低离子强度和高pH有利于Cd~(2+)的吸附。可变电荷土壤表面负电荷数量较少是造成阳、阴离子复配修饰对Cd~(2+)吸附差异的关键因素。     

木薯渣基生物质炭对水中Cd2+ Cu2+的吸附行为研究

以木薯渣为原料,制备不同温度(350、450、550℃)的生物质炭(BC350、BC450、BC550),对其性质进行表征,探究吸附时间、溶液初始浓度、温度、p H对生物质炭吸附Cd~(2+)、Cu~(2+)作用的影响。结果表明:生物质炭对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附平衡时间随着生物质炭热解温度的升高而缩短,伪二级动力学模型能较好地描述吸附动力学特性(R20.983)。吸附等温线符合Freundlich模型和Langmuir模型,但Freundlich模型拟合的线性更好,R2分别在0.951~0.998和0.992~0.998之间,说明生物质炭对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附为多层吸附。lg KF值表示吸附能力,随生物质炭热解温度的升高而增大,说明BC550吸附效果最好,对Cd~(2+)、Cu~(2+)的最大吸附量分别为15.55和5.44 mg·g-1。生物质炭对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附具有自发的特性,吸附量随p H的增加先增加后下降,最适p H分别为5.5和6.5。     

纳米羟基磷灰石改性生物炭对铜的吸附性能研究

为了提高生物炭对重金属铜的吸附能力,选取小麦秸秆作为原料,将不同比例纳米羟基磷灰石与秸秆混合均匀,在600℃高温限氧条件下制备了羟基磷灰石改性生物炭材料,比较了生物炭和生物炭改性材料对铜的吸附特性,同时分析了两者间的表面特征等。结果表明:热重分析显示,生物炭表面附着纳米羟基磷灰石可以提高生物炭的热稳定性;扫描电子显微镜分析显示,纳米羟基磷灰石可以较为均匀地附着在生物炭表面,但同时会伴随不同程度的聚集现象;接触角测试结果显示,生物炭表面附着纳米羟基磷灰石可降低其疏水性;生物炭和生物炭改性材料对铜的吸附符合伪二级动力学模型,生物炭改性材料可使铜的吸附速率提高7.69%~130.77%;生物炭和生物炭改性材料对不同浓度的铜吸附符合Langmuir等温吸附模型,对铜的最大吸附量分别为32.65 mg·g~(-1)和57.01 mg·g~(-1)。