改性生物炭对水中阿特拉津的吸附行为及应用研究

摘要

在农业中，农药可以保护农作物不受病害、虫害、草害的侵害并且对农作物增产有重要作用。但是，过量的施用农药以及农药所具有的难降解和水溶性强等特点，对土壤、水环境造成了严重污染，进而对人类健康构成威胁。阿特拉津(AT)作为全球范围内广泛使用的农药，能有效控制阔叶类杂草的生长，因此被广泛应用在玉米、小麦、高粱、果树、甘蔗等农田中来控制杂草的生长。然而，施用的农药往往仅有小部分作用于靶标杂草上，大部分会残留在土壤中，长期残留积累的阿特拉津会对后茬敏感作物产生药害，而且随着降雨或灌溉发生物理迁移，通过地表径流进入河流及地下水，对人类赖以生存的饮用水安全构成直接威胁。阿特拉津的“三致”危害使得控制其污染迫在眉睫。处理阿特拉津污染有很多方法，其中吸附法是行之有效的方法，国内外工作者也致力于寻找一种高性能、廉价，绿色吸附剂。生物炭具有的特殊表面性质，它可以作为一种高性能的绿色吸附剂，并且国内外研究者也对生物炭进行改性研究，提高它的吸附性能。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了阿特拉津的使用现状以及污染状况，阐述了阿特拉津对人类以及生存环境的危害。本实验使用了两种化学改性方法，低温厌氧热解条件下制备了改性生物炭，并研究了生物炭的基本特性和对污染物吸附行为。本实验系统研究了原始生物炭和两种改性生物炭的结构特征和表面性质，比较了原始和改性生物炭材料对典型农药阿特拉津的吸附性能，探讨了环境pH值等因素对吸附行为的影响，通过吸附剂对阿特拉津的动力学、等温吸附和热力学等探究了相关吸附机制。⑵采用小麦秸秆为原料在氮气保护下450℃进行热解，并通过对秸秆进行不同的前处理，成功制备出原始生物炭(BC)、氯化锌改性生物炭(ZnBC)、磷酸改性生物炭(PBC)用于去除水中的阿特拉津。⑶改性生物炭比原始生物炭有更高的产量，且具有巨大的比表面积（是原始生物炭的5-6倍），更发达的微孔和介孔结构（是原始生物炭的7-9倍），这可能是由于加入的氯化锌和磷酸对生物质起到了纤维素分解作用，在炭化过程中加速了生物质的脱水作用，进而使孔隙增加。这样的结构特征对阿特拉津的吸附具有显著影响，两种改性生物炭的吸附量是原始生物炭的8-9倍，表现出了优异的吸附性能。⑷通过Langmuir和Freundlich模型对三种生物炭吸附阿特拉津的结果进行拟合分析，得出生物炭去除阿特拉津的过程更符合Freundlich模型，化学吸附作用在吸附过程中起了重要作用。通过热力学研究表明，改性生物炭对阿特拉津的吸附是放热反应，原始生物炭对阿特拉津的吸附是吸热反应，改性生物炭在不同温度下保持有非常高的吸附量。⑸通过准一动力学、准二级动力学和颗粒内扩散模型对吸附结果进行拟合，得出三种生物炭对阿特拉津的吸附过程在三种模型上的拟合度都比较高。从颗粒内扩散模型理论上得知污染物在吸附剂上的内部扩散主要来自于生物炭上的微孔和介孔结构，合理地解释了改性后的炭材料对AT去除效果更好。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 阿特拉津概述

1．1．1 阿特拉津的理化性质及使用现状

1．1．2 阿特拉津的污染与危害

1．2 吸附法去除污染物

1．2．1 吸附剂的理化性质

1．2．2 吸附质的理化性质

1．3．2 生物炭的特性

1．3．3 生物炭改性技术

1．4 生物炭对有机污染物的吸附行为研究

1．4．1 生物炭对有机污染物的吸附研究进展

1．4．2 生物炭对阿特拉津的吸附研究进展

1．5 研究目的意义与内容

1．5．1 研究的目的与意义

1．5．2 研究内容

1．6 技术路线

2 材料与方法

2．1 试验材料与设备

2．1．1 主要试验试剂与设备

2．1．2 试验材料制备

2．1．3 试验步骤

2．1．4 测定分析方法

2．2 生物炭特性表征

2．2．1 生物炭产率

2．2．2 元素组成

2．2．3 比表面积及孔径分布

2．2．4 傅里叶变换红外光谱分析

2．3 吸附试验

2．3．1 吸附剂选择和阿特拉津储备液制备

2．3．2 溶液初始pH值影响

2．3．3 吸附等温线研究

2．3．4 吸附热力学研究

2．3．5 吸附动力学研究

2．4 计算公式

3 结果与分析

3．1 改性生物炭吸附性能初探

3．2 生物炭表征分析

3．2．1 生物炭产率

3．2．2 元素组成

3．2．3 比表面积及孔径分布

3．2．4 傅里叶变换红外光谱分析

3．3 改性生物炭对阿特拉津吸附行为研究

3．3．1 溶液初始pH值对阿特拉津吸附性能的影响

3．3．2 吸附等温线研究

3．3．3 吸附热力学研究

3．3．4 吸附动力学研究

3．3．5吸附机理探究

4 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文