硝酸改性秸秆水热炭结构表征与铅吸附机制研究

以玉米秸秆为原料,采用不同质量分数（10%和30%）的硝酸溶液在水热炭化前、后对样品进行改性处理,结合理化结构表征以及等温吸附模型、吸附动力学模型的拟合结果,探究了硝酸改性秸秆水热炭对铅离子的吸附机制。结果表明,经硝酸改性处理的秸秆水热炭均会形成丰富的含氧基团,水热炭化前,经HNO3改性的秸秆炭（10%N-JG和30%N-JG）呈现粗糙多孔的表面形貌和发达的中孔结构,并形成了三维无序的大尺寸微晶结构;水热炭化后,经HNO3改性的秸秆炭（JG-10%N和JG-30%N）产生了大量分布均匀、尺寸相近的微孔,并形成了三维有序的小尺寸微晶结构。通过对比发现,10%N-JG和30%N-JG对铅离子吸附效果最优,分别在3.5h和3h达到吸附平衡,理论最大吸附量可达247.51mg/g和280.09mg/g。10%N-JG和30%N-JG均符合准一级、准二级动力学模型以及Freundlich等温吸附模型,说明物理扩散和化学吸附在铅离子吸附过程中的作用同等重要。研究发现,秸秆水热炭主要依靠含氧官能团的化学吸附作用脱除水中的铅离子,其发达的中孔结构更有利于铅离子进入颗粒内部,增大了内部孔道上含氧基团对铅离子的捕捉机率,从而保证了水热炭对铅离子的高效吸附。     

秸秆水热炭与热裂解炭结构表征及铅吸附机制研究

以玉米秸秆为原料，在不同温度下（280℃和320℃），分别采用水热炭化法和热裂解炭化法制备秸秆水热炭和热裂解炭，对比分析了两种生物质炭的结构差异，并结合等温吸附模型和吸附动力学模型研究了秸秆水热炭和热裂解炭对铅离子的吸附机制。结果表明：随着反应温度的升高，水热炭的脱氢效果更显著，形成了无序的晶体结构及丰富的表面含氧官能团；热裂解炭的脱氧效果更显著，其表面含氧官能团较少，且形成了有序的晶体结构。水热炭的孔隙率先增大、后减小，呈现致密、平滑的表面形貌；热裂解炭的孔隙率持续增加，具有显著的中孔结构特征，呈现粗糙多孔的表面形貌。秸秆水热炭和热裂解炭分别在4h和10h达到吸附平衡，理论平衡吸附量分别可达214.16mg/g和133.99mg/g。秸秆热裂解炭对铅离子吸附符合准一级动力学模型和Freundlich等温吸附模型，表明其吸附反应为多分子层吸附过程；而秸秆水热炭对铅离子吸附符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型，表明其吸附反应为单分子层吸附过程。结合两种生物质炭的结构特征可知，热裂解炭主要依靠铅离子在其孔隙内的扩散运动进行物理吸附，其中大尺寸中孔的存在更有利于铅离子克服空间障碍进入孔隙，但吸附能力相对较弱，且容易脱附。络合反应是水热炭脱除水中铅离子主要机制，即含氧官能团与铅离子结合形成络合物的化学吸附，其吸附能力较强，且不容易脱附。