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⁺.     

牛粪和核桃壳生物炭对水溶液中Cd2+和Zn2+的吸附研究

为有效去除水溶液中Cd~(2+)和Zn~(2+),以牛粪和核桃壳为原料,在不同热解温度下制取生物炭,采用等温吸附法和动力吸附法研究生物炭对水溶液中Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附效果和动力学特性,通过生物炭吸附前后的XRD和FTIR表征对比,探究其吸附机理。结果表明:生物质原材料的种类和热裂解温度是影响生物炭吸附效果的两大因素,牛粪生物炭比核桃壳生物炭吸附效果好,700℃制备的生物炭比300℃制备的生物炭吸附效果好;生物炭对Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附符合Langmuir方程;700℃制备的牛粪生物炭(DM700)对Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附性能最佳,饱和吸附量分别为117.5 mg·g~(-1)和59.4 mg·g~(-1),其吸附过程由快速吸附和慢速吸附两个阶段组成,符合准二级动力学方程;吸附机理主要是生物炭中的羟基和羧基与Cd~(2+)、Zn~(2+)间发生离子交换和络合反应,Cd~(2+)、Zn~(2+)被吸附后进一步生成CdCO_3和Zn_3(PO_4)_2沉淀。这说明,DM700具备作为水溶液中Cd~(2+)、Zn~(2+)吸附剂的潜力,本研究为生物炭去除水中重金属和土壤重金属污染的修复提供了理论依据与应用参考。     

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。     

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。     

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。     

低含量Pb2+对Cd2+污染下冬小麦幼苗根系过氧化物同工酶的影响

【目的】研究Pb²⁺含量低于国家“土壤环境质量标准(GB 15618-1995)”规定的Ⅱ类土壤环境基准值(300.0 mg/kg)时,其对Cd²⁺污染下冬小麦幼苗根系过氧化物(POD)同工酶表达的影响,为正确评价土壤重金属污染条件下冬小麦生长发育的安全性和稳定性提供科学依据。【方法】采用盆栽试验,在不同含量Cd²⁺和Pb²⁺/Cd²⁺污染条件下培育冬小麦幼苗,待幼苗生长3周、7周和12周时,采集冬小麦幼苗根系,采用聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE),分析低含量Pb²⁺对Cd²⁺污染下冬小麦幼苗根系POD同工酶的影响。【结果】在幼苗生长的3周、7周和12周3个阶段中,土壤Cd²⁺污染对冬小麦根系POD同工酶的表达表现出了抑制效应;3周龄时,冬小麦根系POD同工酶表达量受Cd²⁺抑制影响最强,随着冬小麦生长时间的延长,Cd²⁺的影响开始减弱,且在冬小麦3周和7周龄时,20.0 mg/kg Cd²⁺对冬小麦根系POD同工酶表达量的抑制作用最强。除3周龄时120.0 mg/kg Pb²⁺可减缓20.0 mg/kg Cd²⁺对冬小麦根系POD同工酶表达的抑制作用外,低含量Pb²⁺对Cd²⁺污染条件下冬小麦根系POD同工酶的表达均起协同抑制效应。【结论】冬小麦幼苗生长初期,土壤Cd²⁺污染对其根系POD同工酶表达表现出较强的抑制作用,随着冬小麦生长时间的延长,Cd²⁺的抑制作用减弱;当土壤中Pb²⁺含量低于国家“土壤环境质量标准”规定的Ⅱ类土壤环境基准值(300.0 mg/kg)时,其增强了Cd²⁺污染对冬小麦根系POD同工酶表达的抑制作用。     

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。     

不同热解温度牛骨生物炭特征及对Cd2+的吸附

本文研究了不同热解温度条件下牛骨生物炭理化性质及对 Cd²⁺的吸附特性,采用限氧控温慢速热裂解的方式,在 300、350、400、500、700 ℃和900 ℃条件下制备牛骨生物炭。分别采用热重分析仪、傅里叶变换红外光谱以及扫描电镜能谱仪等设备对牛骨生物炭进行表征,并通过批量吸附实验分析其对Cd²⁺的吸附特性。结果表明：牛骨生物炭pH值、灰分含量随热解温度提高而增加,芳构度逐渐增强,孔径与比表面积增大,而挥发分、有机碳含量与全氮含量减少;准二级动力学模型可以准确拟合5种牛骨生物炭对Cd²⁺的吸附动力学过程（R²>0.999）,在接近吸附平衡时,吸附速率由颗粒内扩散主导;牛骨生物炭对Cd²⁺等温吸附过程更符合Langmuir模型,700 ℃条件下制备的牛骨生物炭对Cd²⁺的吸附效果最好,最大平衡吸附量为44.32 mg·g^-1;随着热解温度增加,牛骨生物炭对Cd²⁺吸附机制中官能团络合作用减弱,表面吸附、阳离子交换以及π电子配位作用增大。在实际规模化制备牛骨生物炭过程中应充分考虑能耗成本以及尾气收集问题。     

表面活性剂改性纳米羟基磷灰石对Cd2+吸附研究

为了研究纳米羟基磷灰石(nHAP)的聚集特性对其吸附性能的影响,选取阴离子型表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对nHAP进行改性,以减小其聚集程度。利用TEM、Zetasizer、XRD和FTIR对改性前后nHAP的形态和结构进行表征,通过批量实验考察SDBS改性对nHAP吸附特性的影响,并深入探讨了SDBS对nHAP吸附Cd~(2+)的影响机理。结果表明:SDBS改性后nHAP聚集体粒径和Dh值均显著减小;XRD和FTIR结果显示SDBS为表面改性,并为nHAP引入了新的官能团SO23-;未改性nHAP(B-HAP)和SDBS改性nHAP(S-HAP)对Cd~(2+)的吸附动力学过程更符合拟二级动力学模型,其中S-HAP的k2值是B-HAP的1.85倍;等温吸附过程更符合Freundlich模型,比较KF值可知,S-HAP对Cd~(2+)的吸附能力显著高于B-HAP。SDBS改性增强nHAP吸附能力的可能机制主要包括:抑制聚集,从而增大比表面积;引入的新官能团为Cd~(2+)的吸附提供了更多的位点。     

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。     

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。     

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...     

两种离子液体对Cd2+在四种土壤上吸附的影响

研究了2,3-吡啶二羧酸和咪唑-4,5-二羧酸两种离子液体阳离子部分对Cd~(2+)在四种不同性质土壤上吸附的影响。结果表明,离子液体的存在显著影响了Cd~(2+)在土壤中的吸附,与对照相比,添加1 mmol·L-12,3-吡啶二羧酸使得Cd~(2+)在武进漂洗型水稻土、吴县潴育型水稻土、南京黄褐土和宜兴棕红壤四种土壤上的最大吸附量分别降低209、834、667、509 mg·kg~(-1),而添加1 mmol·L~(-1)咪唑-4,5-二羧酸使Cd~(2+)最大吸附量分别降低226、54、124、81 mg·kg~(-1),2,3-吡啶二羧酸对Cd~(2+)在供试土壤上吸附量的影响显著大于咪唑-4,5-二羧酸。基于离子选择电极分析了平衡液中自由态Cd~(2+)含量,发现两种离子液体都能与Cd~(2+)络合,从而降低平衡液中Cd~(2+)含量,其中2,3-吡啶二羧酸与Cd~(2+)的络合能力大于咪唑-4,5-二羧酸。两种离子液体进入环境,会使Cd~(2+)在土壤上的吸附量减少,从而增加Cd~(2+)的移动性和环境风险。     

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。