油料作物生物炭的制備、表征及其對Cr(VI)和Cu(Ⅱ)的吸附性能研究.pdf

1、生物炭通常是指農(nóng)林廢棄物在厭氧或缺氧條件下高溫?zé)峤庵苽涞囊活惛惶嘉镔|(zhì),近來,因其在溫室氣體減排、土壤性質(zhì)改良和污染土壤修復(fù)等方面的良好效應(yīng)而廣受關(guān)注。生物炭巨大的比表面積、大量的表面電荷和豐富的表面官能團(tuán)賦予其良好的吸附性能,從而可以吸附固定土壤中的重金屬,降低污染物的生物有效性,有望實(shí)現(xiàn)重金屬污染土壤的固定化修復(fù)。然而,由于生物炭的異質(zhì)性以及重金屬間性質(zhì)的不同,當(dāng)生物炭材料和重金屬種類變化時,生物炭對重金屬污染物的吸附性能和機(jī)理存在差

2、異。
　　為了探究不同生物炭對重金屬的吸附固定化機(jī)理,本文以兩種甘肅典型的油料作物——胡麻、油菜的秸稈和油渣在300~600℃下熱解制備生物炭(對胡麻秸稈生物炭標(biāo)記為 LS300~600,油菜秸稈生物炭標(biāo)記為 BS300~600,胡麻油渣生物炭為 LO300~600和油菜油渣生物炭BO300-600);采用元素分析、比表面分析、掃描電鏡和傅里葉變換紅外光譜等手段表征生物炭的結(jié)構(gòu)及組成;利用批量平衡法,在溶液體系下,分別研究生物炭對

3、Cr(VI)和Cu(Ⅱ)的吸附特性,結(jié)合前期表征結(jié)果,分析生物炭結(jié)構(gòu)與其吸附性能的關(guān)系,并探討其對兩種金屬可能的吸附機(jī)制;同時考察在Cr(VI)和Cu(Ⅱ)混合溶液中,兩種金屬的互相影響。本文結(jié)果可為生物炭在土壤重金屬固定化修復(fù)的應(yīng)用實(shí)踐提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。論文主要結(jié)果如下:
　　(1)于300~600℃下厭氧熱解制備了一系列生物炭,分別標(biāo)記為LS300~LS600、BS300~BS600、LO300~LO600和BO300~

4、BO600;對比不同熱解溫度下制備的生物炭對Cr(VI)的吸附量大小順序,以吸附量最大的生物炭LS600、BS600、LO400和BO400作為代表,用于表征及吸附研究。
　　(2)對LS600、BS600、LO400和BO400的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,在生物炭中,碳是百分含量最高的元素,其次為氧,而氫、氮和硫的含量相對較少,一般不足8％。計算各種生物炭H/C和(O+N)/C比發(fā)現(xiàn),LS600和BS600的芳構(gòu)化程度高而

5、LO400和BO400的極性較強(qiáng)。比表面積和孔徑分布的結(jié)果顯示,4種炭的BET比表面積在1.71~157.52 m2/g之間,單點(diǎn)總孔容在3.18×10-3~1.03×10-1 cm3/g范圍內(nèi),平均孔徑在24.52~82.61?之間,兩種秸稈炭的BET比表面積和單點(diǎn)總孔容均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相應(yīng)油渣炭,說明LS600和BS600具備相對發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),而LO400和BO400幾乎不含孔結(jié)構(gòu)。掃描電鏡結(jié)果亦證明,兩種秸稈炭孔隙較多,結(jié)構(gòu)分散,而兩

6、種油渣炭則表面光滑,孔隙極少。通過FTIR定性分析了表面官能團(tuán)種類,結(jié)果表明羥基、內(nèi)酯基和羧基是生物炭表面的主要特征官能團(tuán)。
　　(2)研究了溶液pH值、吸附時間和重金屬初始濃度等3個因素對生物炭吸附Cr(VI)的影響及吸附動力學(xué)和吸附等溫線。結(jié)果表明,酸性條件更有利于生物炭對Cr(VI)的吸附;Cr(VI)吸附量隨時間增加而累積,通常在20 h左右達(dá)到平衡;在初始Cr(VI)濃度為10~300 mg/L時,Cr(VI)吸附量隨金

7、屬濃度增加而逐漸增多,最終維持在一定范圍不再大幅度變化。生物炭對Cr(VI)的吸附動力學(xué)曲線符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型,LS600、BS600、LO400和BO400準(zhǔn)二級動力學(xué)方程的R2分別為0.9970、0.9902、0.9904和0.9698。吸附等溫線與Langmuir等溫吸附模型相關(guān)性較高,其R2在0.9027至0.9687之間。結(jié)合前期的表征結(jié)果,探究了生物炭對Cr(VI)的吸附機(jī)制,表明生物炭吸附Cr(VI)的機(jī)制主要包括化學(xué)吸

8、附和靜電引力吸附。
　　(3)考察了溶液 pH值、吸附時間和初始金屬濃度對生物炭吸附 Cu(Ⅱ)的影響。結(jié)果表明,生物炭對Cu(Ⅱ)的吸附量隨溶液pH升高而增加;4種生物炭的Cu(Ⅱ)吸附量隨時間增加逐漸增多,到4 h前后反應(yīng)達(dá)到平衡;當(dāng)Cu(Ⅱ)初始濃度由10mg/L增加到300 mg/L時,金屬Cu(Ⅱ)的吸附量先隨之增大而后達(dá)到平衡。Cu(Ⅱ)在生物炭上的吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型,等溫吸附則符合 Langmuir型,主