秸秆生物质炭及其改性炭对重金属的吸附性能及机理研究

摘要

由于采矿、冶炼、电镀、化工等工业“三废”中重金属的扩散、沉降、积累，燃煤释放、机动车尾气、污水灌溉以及含重金属农用物资的大量施用，使得土壤及水体中重金属污染问题日益严重。已有的工程治理或化学治理方法由于工程量大、成本较高、修复时间较长还可能存在二次污染的风险，不适于大面积的重金属污染治理。吸附法被认为是一种有效的技术，但由于吸附材料价格昂贵而无法大面积应用，寻求一种廉价的、高效的、易获取的吸附材料显得尤为重要。
　　生物质经过一定温度(300～700℃)限氧裂解可产生生物质炭。生物质炭具有pH较高、孔隙结构较好、表面官能团含量较高以及含有多种无机矿物组分等特性，对溶液中重金属离子具有较强的吸附效应。将农作物秸秆通过热裂解制备出生物质炭用于吸附水溶液及土壤中的重金属，不仅能够对重金属污染治理起到重要作用，同时也实现了资源的循环利用。
　　本研究以常见的农作物秸秆作为研究对象，在450℃下热裂解制备生物质炭。研究了不同作物秸秆生物质炭对溶液中Pb2+及Cd2+的吸附性能;并对影响其吸附性能的因素进行了定量分析;同时，通过对生物质炭进行改性，进一步研究其对重金属吸附性能和吸附强度的变化。主要研究结果如下:
　　(1)小麦、水稻、玉米三种秸秆生物质炭对Pb2+、Cd2+的吸附符合准二级动力学模型，对Pb2+的吸附速率分别为0.044、0.019和0.012 mg·g-1·h-1，对Cd2+的吸附速率分别为0.195、0.164和0.070 mg·g-1·h-1。三者对不同浓度下Pb2+、Cd2+的吸附符合Langmuir等温吸附模型，小麦、水稻、玉米三种秸秆炭对Pb2+的吸附容量分别为99.65、110.31和88.82 mg·g-1，对Cd2+的吸附容量分别为30.64、29.39和21.47 mg·g-1;小麦和水稻秸秆炭含有较高的碳酸盐、磷酸盐等无机矿物组分以及相对较高的阳离子交换量，对溶液中的Pb2+、Cd2+的去除可能以化学沉淀作用较为突出，而玉米秸秆炭的有机碳及官能团含量较高，孔隙结构较好，比表面积大，可能主要通过表面吸附及官能团的络合作用去除溶液中Pb2+、Cd2+。
　　(2)小麦秸秆炭经去离子水洗脱之后，所含有的碳酸盐、硅酸盐、硫酸盐以及磷酸盐等矿物盐组分基本去除，有机官能团无明显减少，比表面积有所增加;洗脱后生物炭对Pb2+的动力学吸附符合准二级动力学模型，洗脱前后吸附速率分别为0.0441和0.1012 mg·g-1·h-1;对不同浓度下Pb2+的吸附符合Langmuir等温吸附模型，对Pb2+的吸附量由洗脱前的99.66 mg· g-1降至洗脱后的22.36 mg· g-1;小麦秸秆炭中矿物盐组分的溶出量影响其对溶液中Pb2+的沉淀效应，由此可见，灰分中无机矿物盐组分对秸秆生物质炭去除重金属的贡献较大。在溶液初始pH为2.5时，碳酸盐和硅酸盐矿物不易溶出，此时小麦秸秆炭对Pb2+的去除能力较差，而当溶液初始pH为3.5至6.5时，两种矿物盐组分大量溶出，此时小麦炭对Pb2+的去除率较高且基本持平。
　　(3)将小麦秸秆负载铁锰氧化物烧制改性生物质炭。改性的小麦秸秆炭的碳、氢、氧、氮含量分别由59.84％、3.32％、7.91％及0.62％降至44.94％、2.60％、7.63％及0.38％，pH及比表面积变化不大;红外光谱显示小麦炭改性之后Si-O-Si峰值有一定程度降低;X射线光电子能谱分析表明，改性之后小麦秸秆炭上C-O键含量由8.53％降为8.17％，而C=O及O=C-O含量分别由3.15％及1.36％增至3.18％及2.21％，表明改性之后转化或合成了更多的碳氧双键官能团，有利于对重金属离子的螯合作用;扫描电镜及其能谱分析表明，铁锰氧化物以细小颗粒的形式均匀分布在生物质炭的孔隙及表面，同时引进了大量的SO42-和K+;对Pb2+的吸附量由改性之前的121.52 mg·g-1提高到276.38 mg·g-1。同时改性之后的小麦炭对溶液pH的适用范围更广，在溶液pH为2.5时去除率依然较高。小麦秸秆炭改性之后吸附能力的增强归因于铁锰氧化物的专性吸附和大量硫酸根离子的沉淀作用。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 文献综述

1．1 研究背景

1．1．1 重金属的污染概况

1．1．2 重金属污染修复途径及技术

1．1．3 我国农作物秸秆利用现状

1．2 生物质炭的应用

1．2．1 生物质炭的发展史

1．2．2 生物质炭的制备工艺及性质

1．2．3 生物质炭在吸附重金属方面研究

1．2．4 生物质炭的改性研究

1．3 问题的提出

1．4 研究目的及内容

1．5 技术路线

第二章 不同作物秸秆生物质炭对溶液中Pb2+、Cd2+的吸附

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 生物质炭的制备

2．2．2 分析方法

2．3 实验结果

2．3．1 生物质炭基本理化性质

2．3．2 生物质炭结构表征

2．3．3 生物质炭的吸附性能

2．4 分析讨论

2．5 本章小结

第三章 生物质炭中无机矿物盐组分对其吸附性能的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 生物质炭的洗脱处理

3．2．2 生物质炭洗脱前后的结构表征

3．2．3 溶液中酸根离子的测定

3．2．4 吸附实验

3．3 结果

3．3．1 生物质炭洗脱前后的结构表征

3．3．2 生物质炭洗脱前后吸附性能的变化

3．3．3 生物质炭中可溶性盐组分的作用

3．4 分析讨论

3．5 本章小结

第四章 生物质炭负载铁锰氧化物的改性研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 改性方法

4．2．2 结构表征

4．2．3 吸附试验

4．2．4 酸根离子测定

4．3 结果

4．3．1 改性前后两种生物质炭的结构表征

4．3．2 改性前后两种生物质炭的吸附性能

4．3．3 溶液中酸根离子的变化

4．4 分析讨论

4．5 本章结论

第五章 本文结论与展望

5．1 全文结论

5．2 研究创新点

5．3 研究不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文