檸條生物炭的制備與Al改性及吸附性能研究.pdf

1、目前，生物炭和改性生物炭由于其理化特性，作為環(huán)境友好型污染物吸附材料，被廣泛應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)、農(nóng)業(yè)和環(huán)保領(lǐng)域，受到科研工作者的青睞。本研究以西北干旱區(qū)農(nóng)林廢棄物檸條為原料，通過設(shè)定不同的炭化工藝制備了15種檸條生物炭(以下簡寫為NB)，分析制備數(shù)據(jù)，借助各種材料分析方法表征了其理化性質(zhì)，結(jié)合15種NB對Pb2+、Cd2+和P的吸附量，篩選最佳工藝生物炭。采用常規(guī)吸附試驗，考察備選生物炭對Pb2+、Cd2+和P的吸附。通過等溫吸附和吸附動力

2、學(xué)方法，以及pH、添加量和灰分影響試驗，深入研究了NB對Pb2+和Cd2+吸附特性，通過FTIR技術(shù)闡述了NB對重金屬的吸附機制。并嘗試用Al直接修飾法改性NB，表征了Al改性前后NB的變化，研究Al改性NB對Pb2+和P的吸附特性，探索其對P的吸附機制。得到如下結(jié)論:
　　(1)熱解溫度對生物炭的制備數(shù)據(jù)和理化性質(zhì)影響較大，恒溫時間影響較小。隨著熱解溫度的升高，產(chǎn)率降低，CEC在先降低后升高，pH值變大，BET比表面積呈增大趨勢

3、，C含量增加，O、N元素含量減小。各工藝下獲得的生物炭CEC為16.64～81.4cmol·kg-1，pH為6.65～8.99，比表面積為13.52～133.49 m2·g-1。檸條生物炭表面富含顆粒，呈多孔狀結(jié)構(gòu)，且表面富含各種官能團，如羥基、羧基、NH4+基、吡啶等。650℃/3h的檸條生物炭BET比表面積最大，為133.49 m2·g-1，是理想的最佳工藝備選生物炭。
　　(2)隨著初始濃度的增加和吸附時間的增長，NB對Pb

4、2+吸附量也隨之增加。Langmuir模型能夠很好的描述NB對Pb2+的等溫吸附過程，表明是近似單分子層的吸附;NB對Pb2+的吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，說明其吸附是物理-化學(xué)復(fù)合過程，結(jié)合其他模型分析，顆粒內(nèi)擴散與表面吸附和液膜擴散等共同控制吸附反應(yīng)速率。NB對Pb2+的實際最大吸附量為220.94 mg·g-1，平衡時間為3h。隨著NB添加量的增大，對Pb2+的吸附量不斷減小，去除率逐漸增加，3 g·L-1為最佳添加量。pH在

5、3～6之間NB對Pb2+具有很好的吸附效果。NB對Pb2+的吸附機制主要包括靜電吸附（生物炭表面負(fù)電荷），離子(NH4+和—COOH基，其本質(zhì)是H+)/配體（酚羥基）交換和陽離子—π鍵作用（包括C=C作用）。灰分在吸附Pb2+的機制中有明顯的積極作用。
　　(3) Freundlich模型能夠很好的描述NB對Cd2+的等溫吸附過程，其為近似多層吸附，且RL值等多個擬合參數(shù)表明，對Cd2+的吸附為有益吸附;NB對Cd2+的吸附動力學(xué)

6、符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型，結(jié)合其他模型來看，顆粒內(nèi)擴散與表面吸附和液膜擴散等共同控制吸附反應(yīng)速率。NB對Cd2+的理論最大吸附量為42.43 mg·g-1，平衡時間為3h。2.2g·L-1為最佳添加量。最佳pH在3～6之間。檸條生物炭對Cd2+的吸附機制主要包括靜電吸附，離子/配體交換和陽離子—π鍵作用。
　　(4) Al改性NB對于Pb2+的吸附無明顯效果。NB對P的吸附量均很低，Al-NB生物炭最佳改性比例為0.2∶1，此時對P的

7、吸附量達到最大，是未改性NB的8.35倍。Langmuir模型能夠很好的描述Al-NB對P的等溫吸附過程;Al-NB對P的吸附動力學(xué)符合準(zhǔn)一級動力學(xué)模型，說明其吸附通過邊界擴散完成的單層吸附。Al-NB對P的理論最大吸附量為19.97 mg·g-1，平衡時間為24h。隨著Al-NB添加量的增大，對P的吸附量不斷減小，去除率逐漸增加，2.5 g·L-1為最佳添加量。最適pH為4～8，當(dāng)pH=8時，吸附量最大為47.6 mg·g-1。吸附P

8、后，溶液的pH值向中性范圍傾靠，有一定緩沖作用。Al3+主要以氫氧化物的形式被負(fù)載在檸條生物炭炭基骨架上。P被Al-NB吸附的機制主要包括:靜電吸附作用（主要是帶正電荷的金屬氧化物與含P陰離子吸附，NH4+的電荷吸附作用），配體交換（羥基），P與陰離子(NO3-)交換，顆粒內(nèi)表面絡(luò)合作用等。
　　(5)檢索最新相關(guān)文獻，對比不同源制備的生物炭對Pb2+和Cd2+的吸附性能，發(fā)現(xiàn)本研究中NB的吸附量較大，具有良好的應(yīng)用前景和潛力。同

9、種生物炭對Pb2+的吸附量普遍大于對Cd2+的吸附量。NB對Pb2+的最大吸附量，吸附能力，吸附強度，吸附穩(wěn)定性等均大于對Cd2+，在同條件下，NB更適宜對Pb2+的去除。Al改性檸條生物炭對P的吸附效果普遍高于未改性的生物炭和Fe改性生物炭，低于Mg或者其他方法改性制備的生物炭，具有一定的應(yīng)用價值。
　　本研究對檸條生物炭的制備，Al改性及對Pb2+、Cd2+和P的吸附特性和機制進行了系統(tǒng)的研究，為生物炭的制備技術(shù)和功能應(yīng)用提供