棉花秸秆生物炭对重金属Pb(Ⅱ)的吸附性能研究

以南疆农业废弃物棉花秸秆为原料,采用限氧控温裂解法制备不同温度(200、400和600℃)下的棉花秸秆生物质炭(CSBC200、CSBC400和CSBC600),研究棉花秸秆生物质炭对重金属Pb(Ⅱ)的吸附性能及影响因素,探讨pH、温度、初始浓度和吸附剂投加量对棉花秸秆生物炭吸附Pb(Ⅱ)的影响。研究结果表明:随着热解温度的升高生物炭的pH、比表面积及芳香性增强;不同热解温度制备的棉花秸秆生物炭对Pb(Ⅱ)的快速吸附过程发生在2 h内,吸附在10 h以后逐渐达到平衡状态,准二级动力学吸附模型能较好地描述棉花秸秆生物炭对Pb(Ⅱ)的动力学吸附过程;不同热解温度制备的棉花秸秆生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附能力不同CSBC600 CSBC400 CSBC200,且CSBC600远高于其他;CSBC400和CSBC600的吸附过程更符合Freundlich模型,吸附体系既有物理吸附又有化学吸附;棉花秸秆生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附最佳pH为5. 00,其饱和吸附量随着体系温度的升高而增加,吸附是自发进行的吸热过程,溶液体系温度升高更有利于吸附的进行。     

热解温度对制备不同类型秸秆生物炭及其吸附去除Cu2+的影响

[目的]探讨热解温度对制备不同类型秸秆生物炭及其吸附去除Cu~(2+)的影响。[方法]以玉米、水稻、芝麻3类秸秆为原料于400~700℃热解炭化制备生物炭,探讨热解温度对秸秆生物炭的结构官能团、比表面积、孔径分布等结构及理化性质的影响,并评价生物炭对Cu~(2+)的吸附性能。[结果]生物炭的pH和比表面积随热解温度的升高而逐渐增大,而产率却逐渐稳定,其中热解温度的变化对水稻和芝麻秸秆生物炭的影响更为明显;此外,生物炭对Cu~(2+)的吸附效率与生物炭的种类和热解温度有关,升高热解温度有利于提高生物炭对Cu~(2+)的吸附去除率,且水稻和芝麻秸秆生物炭的吸附效率明显高于玉米秸秆生物炭,其中700℃下热解所制备的水稻和芝麻秸秆生物炭对Cu~(2+)的去除率可达100%。[结论]该研究可为控制农业环境污染提供科学依据。     

不同农作物秸秆生物炭性质及其对重金属铅的吸附特性研究

以大豆秸秆、高粱秸秆为原料,在350、500、650℃条件下,限氧控温制备生物炭,探讨不同类型生物炭性质及其对溶液中重金属Pb2+的吸附特性;利用2种等温吸附模型(Langmuir、Freundlich模型)研究了不同类型生物炭对Pb2+的吸附行为。结果表明:不同热解温度下的大豆、高粱生物炭,其灰分、挥发分及固定碳存在一定的差异性;随着热解温度的升高,生物炭对Pb2+的吸附性能增强。大豆生物炭对Pb2+的吸附量明显大于高粱生物炭;采用Langmuir和Freundlich分别对吸附数据进行拟合,两种生物炭的吸附行为更符合Freundlich模型,且属于线性等温吸附。     

不同原料、热解温度对生物质炭化学性质及结构组成的影响

[目的]本文旨在研究热解温度和原料对生物质炭化学性质及官能团的影响,为优化生物质炭的化学性能提供科学依据。[方法]以小麦、水稻和玉米秸秆为原料,在3种温度(350、450和550℃)下进行热解,分别得到小麦秸秆生物质炭(WB350、WB450和WB550)、水稻秸秆生物质炭(RB350、RB450和RB550)和玉米秸秆生物质炭(CB350、CB450和CB550)。分析这些生物质炭的pH值、灰分含量、阳离子交换量(CEC)、全碳和全氮含量,采用红外光谱法和¹³C核磁共振波谱法分析生物质炭化学结构。[结果]当温度从350℃升至550℃时,小麦、水稻和玉米秸秆炭的pH值和C/N值均显著提高,全氮含量均显著降低;水稻和玉米秸秆炭的灰分含量显著提高,而CEC显著降低。从不同原料来看,当温度为350和550℃时,水稻、玉米和小麦秸秆生物质炭的灰分含量依次递减。同一温度下,玉米秸秆炭的CEC显著高于小麦和水稻秸秆炭的CEC。同一温度下小麦、玉米和水稻秸秆炭的全碳含量依次递减;玉米、水稻和小麦秸秆炭的全氮含量依次递减;小麦、水稻和玉米秸秆生物质炭的C/N值依次递减。随着温度的...     

我国南方3种主要作物秸秆炭的理化特性研究

以我国南方水稻(D)、棉花(M)和玉米(Y)3种主要作物秸秆为研究对象,研究了400、450、500℃温度下制备的作物秸秆炭的主要理化特性。研究结果表明:生物炭的出产率因热解温度和秸秆种类而异,一般低温出产率高,高温趋于稳定,3种物料灰分含量是DYM;生物炭p H值随热解温度升高而增大,且均呈碱性;比表面积总体上随温度增加而增加;有机碳和总氮含量随热解温度升高而降低,总磷和钾含量随热解温度升高而增加;不同秸秆炭所含官能团基本相同,-OH随温度升高呈减弱趋势,而芳香性结构增加。经综合对比,推选500℃下制备的生物炭较好。     

几种生物质热解炭基本理化性质比较

生物炭由生物质材料在无氧或缺氧条件下经高温裂解形成,是土壤改良和废弃物处理的良好改良剂。选取五种生物质原料(大豆秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆、稻壳和松针,均为农林废弃物),经300、400、500、600和700℃热解2 h,测定其结构及理化性质。研究结果表明,生物炭炭化结构良好清晰;生物质形成生物炭在BET比表面积、T-PLOT微孔容积、p H和阳离子交换量值方面均随热解温度升高而升高,大豆秸秆和玉米秸秆比表面积在700℃时达到最高;平均孔径随热解温度升高有一定程度下降;700℃下水稻秸秆和稻壳形成生物炭具有最高硅含量。除松针炭外,其余各生物炭呈碱性。     

牛粪源和木源生物炭对Pb（Ⅱ）和Cd（Ⅱ）的吸附机理研究

在700℃热解条件下制得牛粪源生物炭(DMBC)和木源生物炭(WC)。研究了二者对水体中Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附去除能力,分析了相关污染物去除机理。结果表明:DMBC的比表面积和碳元素含量均远小于WC,但去除效率却远高于后者。FTIR光谱分析和XRD分析表明,DMBC中含有大量矿物组分(如磷等),易与重金属离子生成沉淀。因此在吸附去除过程中发挥主导作用的是沉淀机制。Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在DMBC上的竞争吸附和单组分吸附结果类似,验证了该结论的正确性。而Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)在WC上的单组分和双组分吸附结果相差较大,这说明重金属离子在WC上的吸附是以表面吸附为主。以上研究证实,牛粪源生物炭比木源生物炭更适合用于水体中各类重金属污染的去除。     

皇竹草生物炭的结构特征及其对Cr(Ⅵ)的吸附性能

以皇竹草茎秆为原料,在限氧控温(300、500、700℃)条件下制备生物炭,研究该生物炭的结构特征及其对Cr(Ⅵ)的吸附行为。结果发现,随着热解温度的升高,皇竹草生物炭的产率下降,而灰分、p H呈上升趋势;电镜扫描(SEM)观察可见不同热解温度下所制备的生物炭结构相似,均具多孔和管状结构,但在700℃条件下所制备的生物炭相对300℃下制备的生物炭孔壁变薄,且孔壁有附着物,切面有突起结构。三种温度下制备的皇竹草生物炭对溶液中的Cr(Ⅵ)都具有较好的吸附作用,且500、700℃下制备的生物炭比300℃下制备的生物炭具有更好的吸附效果。在0~1 h之间,三种热解温度下制备的生物炭对铬的吸附量均随着时间的延长而快速增加,当吸附至1 h时,基本达到饱和状态,随后吸附量无明显变化。     

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。     

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。     

四种生物质炭的表面特性及其对水溶液中镉-阿特拉津的吸附性能研究

选用甘蔗叶、木薯杆、水稻秸秆和蚕沙作为原料,分别在300、700℃下限氧控温热解制备生物质炭,采用电镜扫描(SEM)观察生物质炭表面孔隙结构,用红外光谱(FTIR)、Boehm滴定方法对表面官能团的种类和含量进行分析,并研究不同生物质炭在不同镉(Cd)-阿特拉津(AT)初始浓度、不同p H值下对Cd、AT的吸附特征。结果发现,同种原材料制备的生物质炭,高温条件(700℃)热解与低温(300℃)相比,表面的官能团数量较少,但孔隙结构更加明显。不同生物质炭对Cd和AT的吸附符合准二级动力学方程,拟合系数均大于0.998。生物质炭能有效吸附水溶液中的Cd和AT,初始浓度越大,吸附量越大,且高温炭的单位吸附量大于低温炭。相同材料制备的生物质炭在溶液p H=6时对Cd的吸附量高于p H=4时的吸附量,而对AT的吸附能力则是在低p H值时较大。高温制备的水稻秸秆炭和蚕沙炭对Cd的吸附效果较明显,甘蔗叶炭对AT的吸附量最大。     

热解温度对玉米秸秆生物炭稳定性的影响

为了探究热解温度对生物炭稳定性的影响,选用玉米秸秆作为生物质原料,分别在300、500、700℃条件下热解制备生物炭。利用元素分析仪、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析仪(TGA)表征生物炭的结构和性质,采用H_2O_2和K_2Cr_2O_7氧化法测定生物炭的抗氧化能力。结果表明,生物炭的C含量随热解温度的升高而增加,H和O含量以及H/C和O/C之比则随热解温度的升高而降低,说明了生物炭的芳香化程度增加,稳定性增强。FTIR结果表明,随着热解温度的升高,生物炭中的—OH、C—O—C和—CH等不稳定性集团减少甚至消失。TGA分析表明,随着热解温度的增加,生物炭质量损失由42.9%降低至14.67%,其700℃制备生物炭热稳定性最强。H_2O_2和K_2Cr_2O_7抗氧化结果表明,500℃条件下制备的生物炭的碳损失量最低,分别为7.19%和6.02%,其抗氧化能力最强。     

不同热解温度生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附研究

以稻壳(RH)和棉花秸秆(CS)为原料,在300、400、500、600、700℃下制备了生物炭,研究不同添加量、不同初始pH、吸附时间对生物炭吸附水溶液中Pb~(2+)的影响。结果表明:生物炭添加量越大对Pb~(2+)的去除效果越好;热解温度越高,达到同样去除效果所需生物炭的量越少;吸附效果与溶液的pH呈正相关,pH在4~7的范围内,高温生物炭去除Pb~(2+)的效果更好。生物炭对Pb~(2+)的吸附更符合拟二级动力学模型(R~2≥0.992),热解温度越高,吸附速率越快,同时中温(500℃)和高温(600、700℃)生物炭对Pb~(2+)的平衡吸附量不低于49.0 mg·g~(-1)。制备稻壳和棉花秸秆生物炭较合适的温度是500℃。     

热解温度对油菜秸秆炭理化特性及孔隙结构的影响

以农业废弃物油菜秸秆为原料,采用低氧升温炭化法,在不同热解温度(300,400,500,600,700℃)下分别炭化2 h,制备生物炭,收集并测定固体产物生物炭特性及孔隙结构。结果表明,随着热解温度的升高,油菜秸秆生物炭p H值逐渐增加,当温度达到400℃及400℃以上时呈碱性甚至强碱性。热解温度高于400℃时,油菜秸秆生物炭的矿质元素含量相对富集,表面碱性含氧官能团增加、酸性含氧官能团减少。阳离子交换量在400～500℃条件下达到较高水平,为77.39～80.00 cmol·kg-1。红外光谱表明,热解温度高于300℃时,油菜秸秆的芳香基团开始形成。随着热解温度的升高,油菜秸秆生物炭的比表面积和比孔容均是先变大后变小,在400～500℃条件下孔隙结构的发育和孔体积的形成比较好,具有较大的比表面积和比孔容,生物炭产出率相对较高,养分损失少,生物炭的理化性能、养分利用及孔隙结构均达到最优。     

玉米秸秆生物炭对Pb~(2+)、Cu~(2+)的吸附特征与机制

以玉米秸秆为原料,在350℃、低氧条件下热解制备生物炭,考察了吸附时间、重金属离子的初始浓度、溶液的初始p H值等因素对生物炭吸附Pb~(2+)、Cu~(2+)特征的影响。结果表明,准二级动力学方程能很好地反映低浓度条件下玉米秸秆生物炭对单一、复合污染溶液中Pb~(2+)、Cu~(2+)的吸附过程,玉米秸秆生物炭对单一、复合污染溶液中Pb~(2+)、Cu~(2+)的吸附以化学吸附为主。Langmuir模型能够更好地描述单一污染条件下玉米秸秆生物炭对Pb~(2+)的吸附行为,而对于单一污染条件下Cu~(2+)以及复合污染条件下Pb~(2+)、Cu~(2+)离子的等温吸附,Freundlich模型明显优于Langmuir模型。当溶液p H值从3上升到4时,玉米秸秆生物炭对单一污染条件下Pb~(2+)的去除率明显增加,当溶液的初始p H达到6时玉米秸秆生物炭对单一、复合污染条件下Pb~(2+)、Cu~(2+)离子去除率的增长趋势逐渐平缓。通过连续解吸试验发现,不同初始浓度下(0~400 mg/L)各种吸附方式对吸附总量的贡献率会不断变化,低浓度条件下以氢键吸附为主,随着初始浓度的上升,物理吸附的贡献率不断升高,取代了氢键吸附的主导地位。     

不同原料和热解条件制备的生物炭的性质及其对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附效果

针对愈发严重的水体重金属污染,通过灌溉重金属流入农田严重影响农产品质量安全的问题,以南方区域农业废弃物水稻秸秆(RSC)、谷壳(RHC)和中药渣(HRC)为原料制备生物炭,研究不同原料、不同热解温度(300,500,700℃)、不同热解时间(2,3,4 h)条件下制备生物炭的理化性质及其对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果。结果表明,热解温度对生物炭的理化性质及其对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果存在显著影响,而热解时间对其无显著影响。生物炭的灰分含量、pH和P含量均随着热解温度的升高而显著增加,产率和N含量显著降低;生物炭对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附量和去除率随着热解温度的升高显著提高;生物炭对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附量与其本身的灰分含量、pH以及P含量存在显著的正相关性。3种原料制备的生物炭对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果由大到小总体表现为:RSC、RHC和HRC,且对Cd~(2+)的吸附效果大于Cu~(2+)。综合来看,热解温度为700℃时制备的RSC对Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果好,最大去除率分别达99.88%和99.14%。     

定量分析秸秆和猪粪生物炭对镉的吸附作用

为定量研究生物炭对镉(Cd)的吸附作用,以灰分含量不同的小麦秸秆(W)和猪粪(P)为原材料,分别在300℃和700℃下热解制备4种生物炭(WBC300、WBC700、PBC300和PBC700),定量分析了生物炭对Cd的吸附作用。结果表明:除灰后生物炭对Cd的吸附能力显著下降38.5%～83.0%,且除灰处理对BC700影响较BC300大。生物炭无机组分主要通过沉淀作用和离子交换作用吸附溶液中的Cd,有机组分主要通过含氧官能团的络合作用吸附Cd。在pH 5.0、Cd初始浓度为200 mg·L-1条件下,沉淀作用、离子交换作用和络合作用在PBC300吸附Cd的过程中贡献率分别为52.1%、32.2%和15.5%,PBC700分别为91.9%、5.10%和2.96%,WBC300分别为23.9%、36.2%和39.9%,WBC700分别为63.5%、21.8%和14.7%。研究表明,随着生物炭热解温度的升高,沉淀作用在生物炭吸附Cd的过程中贡献率升高,而离子交换作用和络合作用贡献率下降;无机沉淀作用和离子交换作用为灰分含量较高的生物炭吸附Cd的主要机理。     

热解温度和时间对马弗炉制备生物炭的影响

为总结马弗炉制备生物炭的经验和明晰热解温度和时间对生物炭性质的影响,以玉米秸秆为原料,在不同热解温度(400,500,600℃)和时间(2,3,4,6,8h)交叉条件下,在实验室用马弗炉烧制生物炭,计算生物炭的产率,测定其碳和氮含量,并总结利用马弗炉制备生物炭的经验。结果表明:不同热解条件下,生物炭的产率为11.2%~32.1%,生物炭的碳含量为60.9%~77.3%,全氮含量为1.1%~2.8%,C/N为23.5~71.6。随着热解温度的升高,生物炭的产率降低,400℃时为20.5%~32.1%,500℃时为12.6%~19.4%,600℃时为11.4%~16.8%。随着热解时间的延长,生物炭的产率有降低的趋势。生物炭的碳含量随热解温度升高而增加(400℃时为60.9%~63.2%,500℃时为62.6%~71.8%,600℃时为66.3%~77.3%),随热解时间呈无规律变化。生物炭的全氮含量及C/N随热解时间和温度的变化没有明显的规律。对马弗炉制备生物炭的建议为:(1)烧制生物炭时,使用锡箔纸包裹坩埚外壁,可以防止秸秆被烧成灰,使生物炭的产率保持稳定,但是锡箔纸不可重复使用;(2)热解温度不要超过700℃,当超过700℃时,部分秸秆会被烧成灰,生物炭的产率很低;(3)烧制结束后,关闭马弗炉电源,待炉内温度降低后,再打开炉门,这样可以避免高温生物炭与冷空气的接触。综上所述,马弗炉热解是实验室较低温度下(小于700℃)制备生物炭的一种有效方法。     

高温秸秆生物炭对苯酚的吸附特性研究

为使农作物秸秆得到资源化利用,研究采用慢速热解技术于650℃条件下制备茄子秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭吸附剂,以去除废水中的苯酚。吸附实验结果表明,废水中苯酚的初始浓度、吸附温度和时间等因素均能影响生物炭对苯酚的吸附效果。两种秸秆生物炭对苯酚的吸附能力表现为玉米秸秆生物炭茄子秸秆生物炭。两种生物炭对苯酚的等温吸附线符合Langmuir模式和Freundlich模式。     

生物炭对噻虫胺在土壤中吸附和降解的影响

为探究由不同热解温度和原材料制备的生物炭对噻虫胺在黑土中吸附和降解的影响,以玉米秸秆和猪粪为原材料,分别在300、500℃和700℃下限氧热解制备了六种生物炭,并将其添加到黑土中,研究生物炭对土壤理化性质与噻虫胺在土壤中吸附-降解的影响。结果表明:添加生物炭可显著提高土壤的pH、有效态磷和有机碳含量,降低土壤的H/C。噻虫胺在土壤及生物炭-土壤混合体系中的吸附过程符合Freundlich模型。添加生物炭显著提高了土壤对噻虫胺的吸附,且吸附量随生物炭热解温度的升高而增大。不同热解温度的生物炭对噻虫胺在土壤中降解的影响不同。高温生物炭-土壤混合体系的强吸附能力降低了噻虫胺被微生物降解的速率,但噻虫胺在低温生物炭-土壤混合体系中具有相对较高的微生物降解速率。因此,在利用生物炭修复农药污染土壤时应该充分考虑生物炭的类型和性质。