农作物秸秆基生物质炭的制备及其吸附性能研究

<正>我国早期对污染防治并不重视,直到上世纪七八十年代才开始进行污水处理的相关事业,这使得我国污水处理事业具有起步晚、发展快的特点。在改革开放后的三十余年中,我国的污水处理事业有了长足进步。虽然如此,我国污水处理事业的发展还是难以平衡人口高速发展和快速的工业化以及城镇化带来的巨大压力,总体上来讲,我国的污水发展还处在初级阶段,仍有很多制约因素妨碍其发展[1-3]。亚甲基蓝(Methylene blue)作为一种阳离子染料,是典型的水溶性印染剂,在众多行业有广泛使用[4,5]。     

废报纸生物质炭的制备及对铜离子的吸附性能

  目的  以废报纸为原料,通过氮气（N₂）保护在不同热解温度下制备生物质炭,并探讨废报纸基生物质炭对铜离子（Cu2+）的吸附性能和吸附机制。  方法  采用元素分析、比表面积分析仪（BET）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和原子吸收光谱仪（AAS）等对生物质炭进行表征。  结果  所制备的生物质炭具有多孔结构,比表面积高（211 m2·g-1）,有利于从水中去除Cu2+。生物质炭的物理和化学性质随着热解温度的变化而变化。随着热解温度的升高,生物质炭的芳香性、比表面积、pH和灰分含量逐渐增加,而氢、氮和氧含量下降。同时进行批量吸附试验,分析溶液初始pH、吸附时间、初始浓度、不同吸附温度对生物质炭吸附容量的影响。热解温度为400、500、600℃的生物质炭在30℃、pH为5.0的条件下最大吸附容量分别为107、115和138 mg·g-1。伪二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型能很好地模拟吸附过程,表明在此吸附过程中,化学吸附是限速步骤,吸附发生在吸附剂内特定的均相位点（单层吸附）。通过热力学模型计算所得ΔHo为正值,表明吸附过程是吸热反应。此外,生物质炭的吸附机制包括沉淀作用、离子交换、π-π作用和络合反应。  结论  本研究以废报纸为原料,所制备的生物质炭是具有一定应用前景的、环境友好的、高效的Cu2+吸附材料。     

6种低温生物质炭的制备及结构表征

以6种常见的农业废弃物为原料,研究其生物质炭制备工艺及结构特征,并探究炭化物用于土壤改良的可行性.采用正交试验设计生物质炭制备工艺,结合比表面积、红外光谱、扫描电镜等分析产物理化性质及结构特点.结果表明:分别优化得到6种低温生物质炭的制备工艺,其得率大小排列顺序:玉米芯(36.10％)＞玉米秸秆(34.73％)＞瓜子壳...     

生物质炭对黑土吸附-解吸硝态氮性能的影响

为了探讨生物质炭对黑土吸附-解吸硝态氮性能的影响,减少黑土中硝态氮的淋失、提高氮肥利用率以及为农业废弃物资源化利用提供理论依据,采用培养试验,应用Langmuir方程和Freundlich方程,研究了添加不同来源(玉米秸秆、稻壳、松木)和不同添加比例(0.6%、1.2%、3.6%、6%)生物质炭对黑土中硝态氮(NO_3~--N)的吸附和解吸特征。结果表明,施用生物质炭可增加黑土对NO_3~--N的吸附量,且三种生物质炭的添加比例为3.6%时,土壤对NO_3~--N的吸附量最大;施用玉米秸秆生物质炭的黑土对NO_3~--N的吸附量最大(实际最大吸附量为0.929 mg·g~(-1)),施用松木生物质炭的黑土对NO_3~--N的吸附量最小(实际最大吸附量为0.578 mg·g~(-1))。施用生物质炭可降低黑土对NO_3~--N的解吸率,且三种生物质炭的添加比例为3.6%时,土壤对NO_3~--N的解吸率最低;添加玉米秸秆生物质炭的黑土对NO_3~--N的解吸率最低,添加松木生物质炭的黑土对NO_3~--N的解吸率最高。不同生物质炭对NO_3~--N的吸附能力表现为玉米秸秆稻壳松木;对其解吸能力表现为玉米秸秆稻壳松木。生物质炭及添加生物质炭的黑土对NO_3~--N的吸附过程符合Langmuir方程。     

餐厨垃圾生物质炭制备及其吸附水中亚甲基蓝性能

以餐厨垃圾为原材料,通过高温热解法和共沉淀法制备了餐厨垃圾生物质炭（Natural kitchen waste biochar,NKB）和磁性餐厨垃圾生物质炭（Magnetic kitchen waste biochar,MKB）,研究了热解温度、热解时间、吸附剂量、吸附时间和溶液pH值等条件对生物质炭吸附水中亚甲基蓝（MB）性能的影响。结果发现,在热解温度450℃、热解时间1 h条件下制备的NKB对MB吸附性能最好;在生物质炭投加量1.0 g·L^-1、吸附时间20 min、pH值为9的条件下,MKB对MB的去除率和吸附量分别为97.94%和9.2 mg·g^-1,分别比NKB提高18.54个百分点和1.6 mg·g^-1;经过多次再生后,MKB对MB的吸附去除率仍在90%以上;吸附过程符合Langmuir等温吸附模型。研究表明,餐厨垃圾生物质炭经过赋磁可提高对亚甲基蓝的吸附性能,碱性条件下吸附性能较好,且能多次循环再生。     

蔗渣中密度纤维板的制备工艺参数与性能分析

在预备性试验基础上,采用正交试验方法对蔗渣中密度纤维板的制备工艺参数进行了工艺研究. 根据蔗渣中密度纤维板的特性,分折了热压温度、纤维尺寸、施胶量和液体石蜡量对蔗渣中密度纤维板的各项物理力学性能的影响. 结果表明,在试验设计取值范围内,热压温度、纤维尺寸对蔗渣中密度纤维板物理性能的综合影响较显著,施胶量和液体石蜡量对蔗渣中密度纤维板物理性能影响较小. 因而在本试验条件下,就蔗渣中密度纤维板的各项物理力学性能而言,较佳的制备工艺参数为:温度150 ℃,纤维尺寸8 mm,施胶量w=10%,液体石蜡量w=1.0 %.     

金属元素改性生物质炭应用于磷酸盐吸附的研究进展

磷含量过高是造成农业面源污染以及水体富营养化的主要原因,因此如何科学合理地控制农业径流以及河流湖泊中的磷酸盐浓度,对农业面源污染及水体富营养化防控具有重要意义。在众多磷酸盐固持方法中,生物质炭吸附法得到相关研究领域的广泛关注。未经改性的生物质炭对磷酸盐的吸附效率不佳,而通过金属元素改性能够显著提高该材料的磷酸盐吸附性能。本综述着重介绍不同金属元素(镁、钙、铁、镧及双金属)改性生物质炭应用于磷酸盐吸附领域中的主要制备方法和研究思路,并总结出该类材料在磷酸盐吸附过程中的主要影响因素,旨在为农业面源污染及水体富营养化防控提供科学依据和理论支撑。     

山核桃、苔藓和松针基生物质炭对亚甲基蓝及刚果红的吸附性能研究

在600 ℃和无氧条件下热裂解制备山核桃木、苔藓和松针三种生物质炭,用于研究三种生物质炭吸附阴离子型染料刚果红及阳离子型染料亚甲基蓝的pH效应、吸附等温线和吸附动力学效应。结果表明,碱性条件下三种生物质炭对亚甲基蓝表现出较好的吸附绩效,而酸性条件更利于三种生物质炭对刚果红的吸附。染料的初始浓度效应研究表明,生物质炭能有效吸附亚甲基蓝、刚果红,且吸附等温线能较好地符合Freundlich方程。三种生物质炭对刚果红吸附容量均比对亚甲基蓝吸附容量高。三种生物质炭对亚甲基蓝和刚果红的吸附主要发生在1 h内,然后缓慢增加,经6 h左右达到吸附平衡,吸附过程均符合伪二级动力学模型。颗粒内扩散模型拟合结果表明,颗粒内扩散阶段是限制吸附速率的主要阶段。     

蚯蚓与生物质炭联合作用对土壤吸附铅的影响

生物质炭自身的结构和性质决定了其具有离子交换能力较强、孔隙结构发达、官能团含量高等优点,这些优点决定了其对环境污染物具有较好的吸附效果,可有效改善土壤质量、促进植物生长。蚯蚓作为土壤中生物量较大的生物类群,能够改善土壤质量、修复被重金属污染的土壤,其生态修复功能和经济价值也日渐受到重视。目前,大多学者只针对蚯蚓或生物质炭进行了单独的试验研究,对二者的联合作用效果研究甚少。试验探究了生物质炭和蚯蚓共同作用于土样后对Pb2+的吸附效果,包括生物质炭的制备、蚯蚓培养以及土壤单金属批量吸附试验。结果表明,当生物质炭投加量为1%和3%时,蚯蚓与其联合作用于土样后,土样对Pb2+的吸附量均有所增加,并且生物质炭投加量为3%的土样对Pb2+的吸附量增加较显著,说明蚯蚓与生物质炭联合作用具有增强土样对Pb2+吸附能力的趋势。     

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。     

温度对生物炭吸附重金属特性的影响研究

为探究温度条件对生物炭吸附重金属离子特性的影响,采用吸附试验研究25、45和65 ℃ 3种温度条件下生物炭对单一重金属离子溶液和多种重金属离子混合溶液的吸附能力变化.结果表明:生物炭对4种重金属的吸附均可采用Langmuir和Freundlich方程进行描述;温度是影响生物炭吸附重金属的重要因素,生物炭对Cu的吸附能力...     

鸡粪生物炭吸附固定铅的研究

随着规模化养殖的快速发展,畜禽粪便的产量随之增加,如何对其进行有效处理与资源化利用已成为研究热点。选取鸡粪为原料,在400 ℃下限氧热解制备生物炭（CMBC-400）,探究其对水体中铅离子（Pb²⁺）的吸附性能。通过批处理试验考察吸附时间、Pb²⁺初始含量、吸附温度等因素对CMBC-400吸附Pb²⁺性能的影响,并利用吸附动力学、等温线和热力学计算模型对吸附数据进行拟合,进一步阐述吸附过程。结果表明,CMBC-400吸附Pb²⁺的过程更符合准二级动力学模型,表明该吸附过程的吸附速率主要受化学吸附控制;相比Freundlich和Dubinin-Radushkevich （D-R）模型,Langmuir等温线模型具有更高的拟合相关系数,表明CMBC-400表面均一,Pb²⁺吸附位点的吸附能大致相同;吸附热力学数据表明CMBC-400对Pb²⁺的吸附过程是自发的吸热反应。扫描电镜和X-射线衍射表征结果表明,CMBC-400主要通过在表面形成含Pb微晶的形式固定水体中的Pb²⁺。此外,向土壤中添加CMBC-400还可促进有效态Pb转化为稳定态,降低Pb的生物有效性。     

稻草生物炭对甲磺草胺和二氯喹啉酸吸附的影响

以弱酸性除草剂甲磺草胺和二氯喹啉酸为研究对象,研究稻草生物炭对这2种除草剂的吸附特征的影响。结果表明,当在土壤中添加稻草生物炭后,土壤对甲磺草胺、二氯喹啉酸的吸附都显著增加。Friendrich方程能更好地拟合稻草生物炭本身对甲磺草胺的吸附等温线,R^2从线性拟合的0.976增加到0.987,Kfads为133.4 mg^1-1/nkg^-1L^1/n。线性方程和Friendrich方程均能很好拟合二氯喹啉酸的吸附等温线,Kd为218.6 L/kg。     

稻草生物炭对甲磺草胺和二氯喹啉酸吸附的影响

以弱酸性除草剂甲磺草胺和二氯喹啉酸为研究对象,研究稻草生物炭对这2种除草剂的吸附特征的影响。结果表明,当在土壤中添加稻草生物炭后,土壤对甲磺草胺、二氯喹啉酸的吸附都显著增加。Friendrich方程能更好地拟合稻草生物炭本身对甲磺草胺的吸附等温线,R2从线性拟合的0.976增加到0.987,Kfads为133.4 mg1-1/nkg-1L1/n。线性方程和Friendrich方程均能很好拟合二氯喹啉酸的吸附等温线,Kd为218.6 L/kg。     

铁改性生物炭对磷的吸附及磷形态的变化特征

利用农作物残体小麦秸秆为原料制备生物炭,并用氯化铁溶液改性,考察了改性后生物炭元素组成和表面官能团的变化、改性和吸附后生物炭中磷形态变化特征以及溶液初始pH的影响,分析了铁改性生物炭对磷的吸附机理。结果表明,生物炭经氯化铁溶液改性后C的质量分数大幅下降,O和Fe的质量分数大幅上升;表面的羧基含量增加,碱性官能团含量显著降低。铁改性使生物炭对磷的吸附平衡时间由改性前的60 min增至120 min;铁改性后,生物炭的理论最大吸附量为10.1 mg·g-1,是改性前的19.4倍。改性前生物炭对磷的吸附主要是物理吸附,表现为交换态磷含量大幅增加,占吸附总量的82.1%;而铁改性生物炭主要是化学吸附,表现为铁结合态磷的增幅最大,占吸附总量的66.7%,交换态磷仅占26.6%。随溶液初始pH的增加,铁改性生物炭对磷的去除率先增加后下降,pH=7时去除率最高,去除率随pH的变化与交换态磷含量密切相关;随着pH升高,铁结合态磷有向闭蓄态磷转化的趋势。     

花生壳生物炭去除水中铅镉离子的性能及吸附机理研究

以农业废弃物花生壳为原料,分别探讨了高热解温度下所得花生壳生物炭对单一溶液及混合溶液中铅镉离子的去除性能,并借助XRD对该过程的去除机理进行了分析。结果表明：热解温度为700 ℃的花生壳生物炭具有较高的比表面积及孔容,其对初始pH为3.5～5的铅镉溶液表现出优良的去除性能;当铅镉离子的初始浓度均为150 mg/L、固液比为1∶100、初始pH为4、吸附时间为24 h时,花生壳生物炭对Cd^{2 +} 的去除率超过80%,对Pb^{2 +} 的去除率达到99.04%;当铅镉离子共存时,溶液中的Cd^{2 +} 对Pb^{2 +} 的去除率几乎无影响,但Pb^{2 +} 却会显著抑制花生壳生物炭对Cd^{2 +} 的吸附;花生壳生物炭对水中铅镉的去除过程平衡吸附时间为960 min,过程满足拟二级动力学模型、Freundlich等温线方程,平衡吸附容量可达57.23、17.75 mg/g。花生壳生物炭对水中铅镉离子的去除过程主要为化学沉淀作用,其包括铅镉氢氧化物沉淀的生成及其向铅镉碳酸盐的转化。     

热解温度对烟秆生物炭性状及其吸附Cd2+特性的影响

【目的】我国烟草生产中产生的大量烟秆是一个亟待解决的问题,通过热解炭化技术处理制备成生物炭,并表征其理化特性,探求其吸附重金属Cd²⁺特性,从而为烟秆资源化利用需求途径提供数据支撑。【方法】以烟秆作为制备生物炭的原料,分别以300、400、500、600、700℃5个温度热解,通过多种表征技术手段、室内批量吸附试验和吸附动力学试验,研究热解温度、结构特性对Cd²⁺吸附的影响。【结果】不同温度热解烟秆生物炭的性状及对Cd²⁺吸附特征存在明显差异,热解温度从300℃提高到700℃时,pH从9.05增加到11.54;H、O、N含量及H/C、O/C及(O+N)/C的原子比例随热解温度的提高而降低,显现出高温热解的生物炭芳香结构更加复杂而稳定;低温烟秆生物炭的比表面积较大,但高温下表面孔隙结构更为发达。准二级动力学方程和颗粒内扩散方程能很好拟合不同温度烟秆生物炭对Cd²⁺的吸附过程,表明吸附是异质性化学吸附;高温热解烟秆对Cd²⁺吸附能力强,其表面丰富的孔隙结构可增强对Cd^2+...     

不同培养条件下生物炭对磷吸附解吸能力的影响

将350℃和600℃2种不同裂解温度下的芦苇秸秆生物炭作洗涤和未洗涤处理后,与巢湖十五里河河口湿地土壤进行网隔培养,培养的水分处理分为:淹水、干湿交替和75%田间持水量,共得到12个样品。对培养后生物炭进行磷素吸附-解吸实验,采用Langmuir和Freundlich吸附模型分析处理3种水分培养后的生物质炭对磷的吸附-解吸差异。结果表明:吸附量均随磷平衡浓度的增加而增大,且淹水的吸附量远远大于75%田间持水量。Langmuir和Freundich方程均能很好地描述12种不同处理的生物质炭对磷的等温吸附过程。淹水的各个拟合参数均高于干湿交替和75%田间持水量。解吸量均随添加磷浓度的增大而增大,解吸率随添加磷浓度的增加而减少。淹水的解吸量和解吸率均高于干湿交替和75%田间持水量。     

改性生物炭对沼液氨氮的吸附效果研究

针对沼液中氮含量排放超标污染问题,为筛选出能使氮元素最大回收的有效吸附方法,以玉米秸秆、玉米芯和木屑为原料,分别于550℃、600℃、650℃下热解成生物炭,并采用NaOH+微波、FeCl3、KOH和HNO3对其进行改性处理,采用扫描电镜和压汞仪对生物炭进行表征,通过吸附动力学、吸附等温线和影响因素试验考察生物炭对NH+4-N的吸附效果。结果表明：NaOH+微波改性的550℃玉米秸秆炭（A-550-NaM）、KOH改性的550℃玉米秸秆炭（A-550-K）、NaOH+微波改性的600℃木屑炭（C-600-NaM）和FeCl3改性的550℃玉米芯炭（B-550-Fe）对NH+4-N的吸附平衡时间在60~150 min之间,其平衡吸附量分别为8.58 mg/g、8.30 mg/g、7.95 mg/g和8.01 mg/g;Langmuir模型较Freundlich模型更适合描述B-550-Fe、A-550-NaM和A-550-K对NH+4-N的吸附行为,3种改性生物炭对NH+4-N的最大吸附量分别为200.24 mg/g、101.86 mg/g和94.82 mg/g。     

生物炭对杉木人工林土壤磷素吸附解吸特性的影响

为了改善磷素吸附作用,提高磷在杉木人工林土壤中的利用率,又防止解吸过度引起土壤磷素淋溶造成资源浪费,以杉木树叶和树干为原料,分别在300℃和600℃下制备4种生物炭:300℃杉叶炭(BL300)、600℃杉叶炭(BL600)、300℃木屑炭(BW300)和600℃木屑炭(BW600),分别向土壤中加入0%、2%、4%、8%比例的生物炭,完成吸附解吸试验。结果表明,制备原料和温度对生物炭的成分和性质有决定性的作用,杉叶生物炭pH值、灰分含量、有效磷等的含量显著高于木屑生物炭,且高温炭大于低温炭,其中BL600生物炭pH值、灰分含量及有效磷含量最高;Langmuir模型能很好地拟合生物炭添加后红壤磷素的吸附过程,在低磷浓度时生物炭添加对土壤磷素吸附作用的影响不大,高磷浓度时则促进吸附作用;其中杉叶炭促进土壤磷素吸附的作用大于木屑炭,高温炭大于低温炭,2%和4%的生物炭添加量促进土壤磷素吸附,但8%的添加量会降低土壤对磷的吸附作用;生物炭添加在一定程度上降低了土壤磷素的解吸率,其中木屑炭降低的作用大于杉叶炭;因此建议在磷浓度较高的杉木林人工土壤中添加中低量的BL600,在磷浓度较低的杉木林人工土壤中添加大量的BL600,土壤富磷时能够增强吸附作用,减小土壤磷素淋溶风险,土壤缺磷时增加解吸率来提高土壤磷素利用率。