不同热解温度龙虾壳生物炭特征及对重金属的吸附机理研究

摘要

为了研究不同热解温度条件下生物炭的理化性质及对重金属的吸附特性和机理。以龙虾壳废弃物为原料，采用限氧慢速热解法在300、400、500、600℃下制备龙虾壳生物炭（记为LS300、LS400、LS500、LS600）。分析了四种龙虾壳生物炭理化性质的差异，并采用SEM-EDS、FTIR、XRD对生物炭进行表征，探究LS300、LS400、LS500、LS600表观结构的差异。通过批量吸附实验研究不同热解温度下龙虾壳生物炭对Zn2+、Cd2+的吸附性能，分析其对Zn2+与Cd2+动力学及等温吸附特征，并探究影响生物炭吸附Zn2+、Cd2+的因素。对吸附后的生物炭进行表征，定性分析龙虾壳生物炭对Zn2+、Cd2+的吸附机理。并通过脱矿龙虾壳生物炭对Zn2+、Cd2+的吸附定量分析不同吸附机理对总吸附量的贡献比。本文结果可以为龙虾壳废弃物资源再利用及生物炭对水环境中重金属治理提供理论支持。论文主要结果如下: (1)对LS300、LS400、LS500、LS600的理化性质及表观结构进行了分析。结果表明，在理化性质方面，随热解温度的上升，龙虾壳生物炭的产率、挥发分含量及元素组成下降，灰分含量及pH值上升。在表观结构方面，LS600比LS300的孔隙更密集，孔结构发育更完全，比表面积更大，可以提供的吸附位点更多。通过FTIR，发现龙虾壳生物炭的主要含官能团为-OH、C-H、C=C、C=O与C-O。通过XRD分析表明龙虾壳生物炭主要的矿物质成分为CaCO3。因此，从理化性质及表观结构两方面的比较，可以得出LS600的比表面积、芳香化程度、灰分含量及吸附位点都是最多的，从而可以推测其对重金属的吸附效果也最好。 (2)研究了四种龙虾壳生物炭对Zn2+的吸附特性。结果表明，吸附量随时间、溶液浓度及pH的增加而增大。LS600在7h达到吸附平衡，其余三种生物炭均在24h达到平衡。四种生物炭的动力学拟合方程都更适合准二级动力学，吸附速率主要受化学吸附机理主导，吸附过程包括外部液膜扩散、表面吸附及颗粒内扩散。LS600的吸附等温线更符合Langmuir模型，LS300、LS400、LS500的等温吸附更适合Freundlich模型，LS600对Zn2+的吸附效果最好，吸附容量可达462.5mg·g-1。因此，在对Zn2+的吸附过程中，四种生物炭对Zn2+的吸附均受到吸附时间、溶液初始浓度及初始pH的影响，并且LS600四种生物炭中对Zn2+的吸附速率最快，吸附效果最好的。 (3)研究了四种龙虾壳生物炭对Cd2+的吸附特性。结果表明，LS300、LS400、LS500、LS600对Cd2+的吸附量均随时间、溶液浓度、溶液pH值的增加而增大。四种生物炭在7h处均达到了吸附平衡，吸附动力学曲线更适合准一级动力学，吸附速率主要受到扩散步骤的影响。LS600的吸附等温线更符合Langmuir模型，而LS300、LS400、LS500的等温吸附更适合Freundlich模型，LS600对Cd2+的吸附效果最好，吸附容量达到249.54mg·g-1。因此，在对Cd2+的吸附过程中，四种生物炭对Cd2+的吸附也受到吸附时间、溶液初始浓度及初始pH的影响，并且LS300对Cd2+的吸附速率最快，而LS600对Cd2+吸附效果最好的。 (4)分别对吸附Zn2+与Cd2+后的生物炭进行表征分析，结果表明，LS300和LS600对重金属Zn2+、Cd2+的吸附机理主要是四种:①阳离子交换作用②矿物质沉淀作用③含氧官能团络合作用④π电子配位作用。并通过对龙虾壳生物炭脱矿处理，定量分析四种吸附机理在LS300与LS600对Zn2+、Cd2+吸附中的贡献比。发现，LS300与LS600对Zn2+的吸附机理中阳离子交换的贡献比分别是73.78％与58.04％;LS300对Cd2+的吸附机理中阳离子交换的贡献比为41.55％，LS600对Cd2+的吸附机理中矿物质沉淀的贡献比是38.83％。因此，LS300对Zn2+与Cd2+的吸附主要以阳离子交换为主，LS600对Zn2+的吸附以阳离子吸附为主，而对Cd2+的吸附以矿物质沉淀为主。