玉米秸秆生物炭对Cd2+的吸附特性及影响因素

以玉米秸秆生物炭为实验材料,研究了生物炭吸附重金属Cd2+的性能,分析了吸附温度、吸附时间、初始pH值以及生物炭粒径对吸附的影响,并对吸附前后生物炭样品进行傅里叶变换红外光谱分析(FITR)、X-射线衍射(XRD)和X-射线光电子能谱(XPS)表征以分析吸附机理。结果表明:玉米秸秆生物炭对Cd2+的吸附可用Langmuir等温方程较好地拟合,在不同温度下其饱和吸附量分别为18.49 mg·g-1(288.15 K)、23.51 mg·g-1(298.15 K)、23.59 mg·g-1(308.15 K)和24.43 mg·g-1(318.15 K),吸附动力学过程可以由准二级动力学方程很好地拟合,约40 min即达平衡,pH值为5时吸附量最大,生物炭粒径对吸附无明显影响。结构表征表明,生物炭对Cd2+的吸附机理主要为表面羟基(-C-OH)和羰基(-C=O)与Cd2+发生络合化学反应作用。     

生物炭和乙醇改性生物炭对铜的吸附研究

为研究生物炭和乙醇改性生物炭的特性及其对铜的吸附能力,选取小麦秸秆为原料,在300、450、600℃条件下热解制备生物炭,用于研究乙醇改性生物炭的产油率、生物炭和乙醇改性生物炭的表面官能团变化、亲水性能及其对Cu~(2+)的吸附特性。结果表明:乙醇改性生物炭产油率随热解温度升高而增加。生物炭和乙醇改性生物炭不同温度接触角范围为122.6°~89.3°和96.0°~68.7°,乙醇改性生物炭亲水性明显高于未经改性生物炭。生物炭和改性生物炭对Cu~(2+)的吸附符合二级动力学模型,生物炭吸附速率常数达1.535 g·mg~(-1)·h~(-1),乙醇改性生物炭为1.073 g·mg~(-1)·h~(-1)。二者对Cu~(2+)的等温吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,生物炭和乙醇改性生物炭最大吸附量分别为44.3 mg·g-1和41.7 mg·g-1,说明使用乙醇萃取生物炭生物质油后,仍能保持90%左右的Cu~(2+)吸附效率。     

高铁酸钾/高锰酸钾改性生物炭对Cd2+的吸附研究

为增强生物炭对Cd的吸附性能,以600℃制备的酒糟生物炭(BC)为原料,采用K_2FeO_4和KMnO_4氧化活化的方式制备改性生物炭,分别标记为BCFE和BCMN,采用全自动比表面积和孔隙度分析仪(BET)、电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)对改性前后酒糟生物炭的性质进行分析,并探究改性生物炭对Cd~(2+)的吸附效果。结果表明,添加K_2FeO_4和KMnO_4可有效地将Fe和Mn负载到生物炭上,分别在生物炭表面生成铁氧化物与锰氧化物。BCFE的总官能团含量分别是BC和BCMN的1.8倍和1.5倍,BCFE的含氧官能团与芳香性结构更为丰富。K_2FeO_4和KMnO_4改性显著提高了生物炭的比表面积,3种材料比表面积表现为:BCFE(2 302.0m~2·g-1)BCMN(521.3 m2·g-1)BC(245.9 m2·g-1)(P0.05),BCFE的比表面积分别是BC和BCMN的9.4倍和4.4倍。吸附试验结果显示,当达到吸附平衡时,3种材料对Cd~(2+)的吸附量大小表现为BCFE(7.46 mg·g-1)BCMN(5.61 m2·g-1)BC(1.46 m2·g-1)(P0.05)。3种生物炭对Cd~(2+)的吸附动力学模型均符合准二级动力学模型,吸附速率由快至慢排序为:BCFEBCMNBC;吸附等温模型均符合Langmuir模型,吸附过程为单分子层吸附,最大吸附量(Qm)表现为:BCFEBCMNBC。因此,K_2FeO_4和KMnO_4改性处理显著改善了生物炭的结构,提高了对Cd的吸附能力,且K_2FeO_4改性效果明显优于KMnO_4。可见,经K_2FeO_4改性的生物炭具有较好的吸附潜力,可作为Cd废水处理的有效材料。     

锰改性玉米秸秆生物炭吸附去除1,4-苯醌

采用恒温批处理平衡法研究生物炭热解温度、吸附剂质量、吸附质溶液初始p H值对锰改性玉米秸秆生物炭吸附1,4-苯醌的影响,并进行了动力学和热力学分析。经Mn SO4改性的玉米秸秆生物炭明显提高了对1,4-苯醌的吸附去除能力,同时热解温度的升高能大幅度提高其吸附能力,当吸附剂质量为20 mg时,1,4-苯醌的吸附量和去除率为最佳值。p H=8.0时吸附量最高,达到75.977 mg/g。准二级动力学模型能够更好地描述该吸附过程,其控制步骤为化学吸附。等温吸附试验结果表明,锰改性玉米秸秆生物炭吸附1,4-苯醌的机理主要以多分子层吸附为主,伴随表面单分子层吸附。     

腐植酸及pH对生物炭-铁锰氧化物复合材料吸附As(Ⅲ)的影响机理

采用振荡平衡法,研究不同用量和不同添加顺序的腐植酸(Humic acid,HA)对生物炭-铁锰氧化物复合材料(F1M4BC25)吸附As(Ⅲ)性能的影响及其机理。结果表明:添加不同浓度的HA对F1M4BC25吸附As(Ⅲ)的性能存在明显差异,与未添加HA相比,添加5 mg·L~(-1)的HA时最大吸附容量(Qm)为8.39 mg·g-1,增加了5.00%;添加10、50 mg·L~(-1)的HA时,Qm分别为7.59、5.25 mg·g-1,分别降低了5.00%和34.3%。不同HA添加顺序对F1M4BC25吸附As(Ⅲ)的性能有较大影响,Qm顺序为:后添加HA(5.82 mg·g-1)同时添加(5.20 mg·g-1)先添加HA(3.30 mg·g-1)。在初始pH=3时,F1M4BC25对As(Ⅲ)吸附能力高于pH=6时。两种pH条件下吸附平衡后溶液的pH值均增大,初始pH=3时增幅大于初始pH=6时;两种pH条件下DOC浓度大小顺序均为:后添加HA同时添加先添加HA。研究表明,低浓度HA以及弱酸性条件有利于F1M4BC25对水体中As(Ⅲ)的去除,高浓度HA能够与As(Ⅲ)产生竞争吸附。     

四尾栅藻（Scenedesmus quadricauda）对Cd（Ⅱ）的吸附效率及吸附动力学研究

研究了不同初始p H值(3、4、5、6、7)和不同初始金属镉浓度(0.5、5、10、20 mg·L~(-1))条件下,四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)干藻粉对重金属镉吸附效率的变化,并采用伪一阶动力学方程、伪二阶动力学方程和Elovich动力学方程对实验数据进行了拟合。结果表明:在不同的初始镉离子浓度和不同的初始p H值条件下,随着时间推移,吸附效率均呈现先上升后稳定的趋势,在约60 min时吸附达到平衡;随着初始p H值的升高,平衡时刻四尾栅藻对镉的吸附效率呈现先上升后下降的趋势,初始p H值为6时最大;随着初始镉浓度从0.5 mg·L~(-1)上升到20 mg·L~(-1),平衡时刻吸附效率也呈现先上升后下降的趋势,在10 mg·L~(-1)吸附效率达到最大值72.93%。四尾栅藻干藻粉对镉的吸附动力学符合伪二阶动力学方程,表明四尾栅藻的吸附过程是表面的、持续的过程。     

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。     

桑树杆生物炭铁锰氧化物复合吸附剂的制备及其对As(Ⅴ)的吸附机理研究

以桑树杆为原料,通过正交试验设计,利用氧化和共沉淀法制备桑树杆生物炭/铁锰氧化物复合吸附剂(MBFMA),考察p H值、离子强度、共存离子对吸附剂除As(Ⅴ)吸附性能的影响,并对MBFMA进行了表征,探讨了吸附机理。研究结果表明,制备复合吸附剂的最佳工艺为:KMn O4浓度40 g·L-1、Fe Cl2浓度40 g·L-1、浸渍时间24 h,煅烧温度400℃,煅烧时间3 h。在p H范围为2.0~7.0时,吸附剂对As(Ⅴ)的吸附效果最佳;硝酸根、硫酸根、碳酸根和磷酸根溶液对除砷效果有不同程度的影响,其中磷酸盐的影响最大,离子强度对除砷效果影响不大;与Freundlich相比,Langmuir模型能够较好地描述MBFMA对As(Ⅴ)的吸附行为,25℃下最大吸附量为4.87 mg·g-1。能谱分析表明吸附As(Ⅴ)的MBFMA含有0.34%的砷,FTIR定性分析表明羟基、羧基、内酯基是MBFMA表面的主要特征官能团,XPS分析表明铁、锰和表面含碳官能团参与了吸附反应,MBFMA对As(Ⅴ)的吸附是专性吸附。     

玉米生物炭和改性炭对土壤无机氮磷淋失影响的研究

利用玉米秸秆为原料制作生物炭,并用氯化铁进行改性,考察了改性前后生物炭对硝态氮和磷的吸附等温和吸附动力学过程,将生物炭和改性炭制作3 cm厚的物理隔离层,施入土柱50 cm处,通过淋溶实验,研究生物炭改性前后对土壤无机氮磷淋失的影响。结果表明,炭化温度为500℃时,铁炭比为0.7的生物炭和改性炭对氮磷的吸附能力最强。吸附动力学和等温吸附曲线分析表明:生物炭改性后对硝态氮和磷的吸附增大,生物炭和改性生物炭对硝态氮的最大吸附量分别为0 mg·g-1和2.414 mg·g-1、对磷的最大吸附量分别为1.723 mg·g-1和16.062 mg·g-1。与对照相比,生物炭处理和改性炭处理硝态氮的淋失量分别降低11.2%和31.6%,磷的淋失量分别显著降低33.1%和82.9%,氨氮的淋失量分别显著降低44.3%和68.6%。淋溶试验后对土壤残留养分分析表明,隔离层的添加并不会对0～50 cm土层内NO-3-N、NH+4-N和PO3-4-P含量产生明显影响,同时改性生物炭能有效减少NH+4-N和PO3-4-P向更深土层中迁移,表明土壤中添加改性生物炭能够有效降低土壤无机氮磷的淋失风险。     

壳聚糖-生物炭微球对甲基红的吸附及微球菌剂的吸附增益效应

以典型偶氮染料甲基红为吸附对象,将壳聚糖和生物炭混合制成微球制剂,对该制剂吸附甲基红的潜力、机制及添加微生物后微球菌剂的吸附增益效应进行研究.结果表明,所制得的壳聚糖-生物炭微球具有良好的吸附特性,在染料初始质量浓度为500 mg/L、p H 3.0和20℃条件下,微球对甲基红的最大吸附量为460 mg/g.Freundlich等温方程和准二级动力学方程模型与该吸附过程拟合良好.利用Elovich方程与颗粒内扩散方程对微球的吸附过程进行研究,结果证实该吸附过程为自发过程,内部扩散为该过程的限速步骤.通过热力学方程计算得到吸附过程的热力学参数ΔG0、ΔH0和ΔS0分别为-24.35 k J/mol(30℃)、-21.36 k J/mol和8.45 J/(mol K).表明此吸附过程为放热过程,较高温度可降低微球吸附的自发性并抑制微球对甲基红的吸附作用.利用神经网络对影响吸附过程的4个因素(p H值,温度,初始浓度,吸附时间)进行建模分析,发现温度对吸附过程的影响最大,相对重要性为32.76%,时间次之(为25.56%),其余依次为p H(23.36%)和初始浓度(18.32%).包埋微生物的微球菌剂与无微生物的纯壳聚糖-生物炭微球相比,脱色率提高了29%;与微生物单独脱色相比,脱色率提高了76%,表明生物吸附材料与微生物混合制备成菌剂的吸附增益效果明显.