改性生物炭的制备及其对Pb2+的吸附作用

摘要

近年来，生物炭的研究越来越受到人们的关注。热裂解法是制备生物炭的一种重要方法，其特点在于操作简便、热解条件易于控制、原料使用广泛等。本论文主要利用热裂解法，以柳木屑和花生壳生物质为原料，在一定条件下制备原始生物炭，并通过CaCl2、KMnO4改性剂预浸渍处理生物质原料及碱液后处理原始生物炭的方法对其进行活化改性。重点考察了活化改性对生物炭结构的影响以及对Pb2+吸附行为的影响。主要研究内容如下:
　　1.钙改性生物炭的制备及其对Pb2+的吸附作用
　　以柳木屑和花生壳生物质为原料，300℃下分别制备了原始生物炭FMC、PSC及钙改性生物炭Ca-FMC和Ca-PSC。考察了钙改性对生物炭结构的影响以及对Pb2+吸附行为的影响。结果表明:(1) Ca-FMC和Ca-PSC的灰分含量及碱性基团数量增多，比表面积与芳构化程度增大，极性降低;Ca-FMC和Ca-PSC均为无定形碳，在其结构或孔道内部负载有分散性的CaCO3颗粒;(2)当pH≥4时，钙改性生物炭对Pb2+的吸附率明显大于未改性生物炭，说明钙改性显著提高了生物炭对Pb2+的吸附性能;(3) Ca-FMC和Ca-PSC对Pb2+的吸附均遵循准二级动力学方程，吸附过程主要受化学吸附机制控制，在25℃及pH=5.5条件下对Pb2+的吸附速率常数分别为0.01 g·mg-1·h-1和0.03 g·mg-1·h-1;(4)Ca-FMC和Ca-PSC对Pb2+的吸附均符合Langmuir等温吸附模型，在25℃及pH=5.5条件下其对Pb2+的饱和吸附量分别为54.32 mg·g-1和32.80 mg·g-1。
　　2.锰改性生物炭的制备及其对Pb2+的吸附作用
　　以柳木屑和花生壳生物质为原料，300℃下制备了锰改性生物炭Mn-FMC和Mn-PSC。考察了锰改性对生物炭结构的影响以及对Pb2+吸附行为的影响。结果表明:(1) Mn-FMC和Mn-PSC的灰分含量及碱性基团数量增多，比表面积与芳构化程度增大，极性降低;MnOx纳米粒子负载于Mn-FMC和Mn-PSC生物炭表面;(2)当pH为5.5时，Mn-FMC和Mn-PSC对Pb2+的吸附率达99％，明显大于FMC和PSC，说明锰改性显著提高了FMC和PSC的吸附性能;(3) Mn-FMC和Mn-PSC对Pb2+的吸附均遵循准二级动力学方程，吸附过程主要受化学吸附机制控制，在25℃及pH=5.5条件下对Pb2+的吸附速率常数分别为5.89 g·mg-1·h-1和0.77g·mg-1·h-1;(4)Mn-FMC和Mn-PSC对Pb2+的吸附均符合Langmuir等温吸附模型，在25℃及pH=5.5条件下其对 Pb2+的饱和吸附量分别为150.38 mg·g-1和208.33 mg·g-1。
　　3.碱液后处理对生物炭吸附Pb2+的影响
　　以柳木屑为生物质原料，300℃下制备了原始生物炭FMC，通过碱液后处理FMC获得碱改性生物炭Ly-FMC。考察了碱液后处理对生物炭结构的影响以及对Pb2+吸附行为的影响。结果表明:(1)经0.5mol·L-1碱液处理后FMC对Pb2+的去除率由13％提高到不小于98％，说明碱处理大大提高了FMC对Pb2+的吸附效果。最佳碱处理条件可确定为:常温下碱液浓度为0.5mol·L-1;(2)FMC与Ly-FMC表面基团种类相似，但Ly-FMC的数量较多，吸附Pb2+后，两种生物炭的特征基团峰强度均减弱，且Ly-FMC的减弱程度更大，说明Ly-FMC对Pb2+的吸附能力更强，表面含有更多的离子交换位点及阳离子-π吸附位点;(3)在pH为2-6.5范围内，随pH的增大，FMC与Ly-FMC对Pb2+的吸附率呈增大趋势，Ly-FMC在较宽的pH(4-6.5)范围内保持较高的吸附率;(4) Pb2+在FMC和Ly-FMC上的吸附过程均遵循准二级动力学吸附规律，速率常数分别为1.71g·mg-1·h-1和0.95 g·mg-1·h-1，平衡吸附量分别为5.89 mg·g-1和49.83 mg·g-1;(5) Ly-FMC对Pb2+的吸附符合Langmuir等温吸附模型，随温度的升高，平衡吸附量减小，且在不同温度下RL值均在0-1之间，说明该吸附过程为放热反应，Ly-FMC对Pb2+的吸附为有利吸附。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物炭的概述

1．1．1 生物炭的概念和特性

1．1．2 生物炭的制备技术

1．1．3 生物炭的功能应用

1．2 提高生物炭吸附性能的方法概述

1．3 重金属在生物炭表面的吸附机理研究

1．4 本论文的研究背景及研究内容、目标与创新点

1．4．1 研究背景和研究内容

1．4．2 研究目标和创新点

第二章 钙改性生物炭的制备及其对Pb2+的吸附作用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 材料的表征

2．2．3 生物炭的制备

2．2．4 吸附实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 改性前后生物炭对Pb2+吸附性能的比较

2．3．2 生物炭的结构表征

2．3．3 吸附动力学

2．3．4 吸附等温线

2．4 本章小结

第三章 锰改性生物炭的制备及其对Pb2+的吸附作用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 材料的表征

3．2．3 生物炭的制备

3．2．4 吸附实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 改性前后生物炭对Pb2+吸附性能的比较

3．3．2 生物炭的结构表征

3．3．3 吸附动力学

3．3．4 吸附等温线

3．4 本章小结

第四章 碱液后处理对生物炭吸附pb2+的影响

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂

4．2．2 材料的表征

4．2．3 生物炭的制备

4．2．4 吸附实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 FMC与Ly-FMC对Pb2+吸附性能的比较

4．3．2 红外分析

4．3．3 初始pH对吸附的影响

4．3．4 吸附动力学

4．3．5 吸附等温线

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单