不同作物原料生物质炭对多环芳烃芘的吸附特性及其改性研究

摘要

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是一类持久性有机污染物，广泛分布于水体、土壤等环境中，因其具有致癌、致畸和致突变作用，可通过土壤-植物系统危害生态环境和人体健康。因此，多环芳烃的污染治理成为大家关注的问题。作物秸秆限氧热裂解制备的生物质炭具有良好的吸附特性，且成本相对较低，可作为较理想的环境友好型修复材料。但生物质炭的吸附能力受热裂解原料来源的影响很大，不同作物原料的生物质炭在孔性大小、比表面积以及表面官能团等方面均有较大的差异。因此，本文采用三种作物原料（小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳）制备的生物质炭、其改性产物以及用生物质炭制备的凝胶颗粒，比较其对多环芳烃（以芘为例）的吸附特性，以期为有机污染物修复寻求一种经济有效的新型措施和方法，同时也为秸秆的合理开发和循环利用开辟新的途径。取得的主要结果如下:
　　1.通过控制芘的吸附时间、芘溶液的初始质量浓度和生物质炭投加量，研究不同原料生物质炭对芘的吸附性能，并比较三者的解吸率。结果表明:三种生物质炭对芘的吸附经约12h达到平衡，吸附动力学过程符合Lagergren准二级反应动力学模型;等温吸附均可用Langmuir方程和Freundlich方程拟合，但前者拟合程度较好;小麦秸秆炭、玉米秸秆炭、和花生壳炭在25℃下对芘的饱和吸附量分别为714μg·g-1、1667μg·g-1和370μg·g-1;在生物质炭投加量为500mg·L-1时，三种生物质炭对芘的去除率均在90％以上;将达吸附平衡后的生物质炭进行连续6d的解吸，发现三种生物质炭对芘的解吸率均在7％以下。
　　2.通过氨水改性三种作物来源生物质炭，研究改性生物质炭对溶液芘的吸附动力学和等温吸附特征。结果表明，改性生物质炭提高了对芘的吸附能力，小麦秸秆炭、玉米秸秆炭和花生壳炭的饱和吸附量分别达909μg·g-1、1754μg·g-1和476μg·g-1。芘在改性生物质炭上的吸附过程也可用准二级动力学方程拟合，表明吸附过程主要由化学吸附控制，并且反应由快反应阶段控制。小麦秸秆炭、玉米秸秆炭和花生壳炭改性后的平衡吸附量分别提高了38.5％、13.92％和12.85％。Langmuir和Freundlich等温线模型均可拟合芘在生物质炭表面的吸附行为。
　　3.将三种生物质炭分别包埋于海藻酸钠制备成凝胶颗粒，研究其对溶液芘的吸附特征;并通过填充柱研究了生物质炭凝胶颗粒对溶液芘和废水的动态吸附特征。结果表明，三种生物质炭凝胶颗粒对溶液芘的吸附约经12h达到平衡，吸附过程均可用准二级动力学拟合。Langmuir方程拟合生物质炭凝胶颗粒对芘的等温吸附程度较Freundlich方程好。玉米秸秆炭制备的凝胶颗粒对溶液芘的饱和吸附量达80μg·g-1，分别高于小麦秸秆炭和花生壳炭凝胶颗粒56％和179％，而且玉米秸秆炭和小麦秸秆炭凝胶颗粒投加量大于0.75g·L-1时，对芘的去除率均高于80％。三种生物质炭凝胶颗粒连续6d内对芘的解吸率均低于5％。因此，运用凝胶颗粒制备的填充柱对溶液芘具有较好的动态吸附能力。
　　综上所述，玉米秸秆热裂解生物质炭在多环芳烃芘污染修复中较其他原料生物质炭具有更好的效果，在去除水体多环芳烃污染中具有巨大的应用潜力。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 综述

1．1 多环芳烃污染现状

1．1．1 多环芳烃的来源

1．1．2 多环芳烃的分布

1．2 多环芳烃污染修复研究进展

1．2．1 自然降解

1．2．2 生物修复

1．2．3 吸附法

1．2．4 高级氧化法

1．3 生物质炭及其有机污染物修复研究

1．3．1 秸秆废弃物利用现状

1．3．2 秸秆生物质炭及其应用

1．3．3 生物质炭吸附土壤中有机污染物研究进展

1．3．4 生物质炭吸附水体中有机污染物研究进展

1．3．5 生物质炭对有机污染物的吸附机理

1．4 生物质炭改性方法研究进展

1．4．1 表面物理结构特征改性

1．4．2 表面化学性质改性

1．4．3 其它改性

1．5 本研究的目的意义、研究内容和技术路线

1．5．1 研究的目的及意义

1．5．2 研究内容

1．5．3 技术路线

第二章 不同作物原料生物质炭对溶液芘的吸附特性

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 生物质炭

2．2．2 试剂和仪器

2．2．3 试验方法

2．2．4 分析方法

2．2．5 计算万法

2．3 结果与分析

2．3．1 生物质炭对芘的吸附动力学

2．3．2 生物质炭对芘的吸附等温线

2．3．3 生物质炭投加量对芘去除率的影响

2．3．4 生物质炭对芘的解吸

2．4 讨论

2．5 结论

第三章 改性生物质炭对溶液芘的吸附特性

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 改性生物质炭的制备

3．2．2 吸附动力学试验

3．2．3 吸附等温线试验

3．2．4 计算方法

3．3 结果分析

3．3．1 改性生物质炭对芘的吸附动力学

3．3．2 改性生物质炭对芘的吸附等温线

3．4 讨论

3．5 结论

第四章 生物质炭凝胶颗粒对溶液芘的吸附特性及应用研究

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 生物质炭凝胶颗粒的制备

4．2．2 吸附动力学试验

4．2．3 吸附等温线试验

4．2．4 生物质炭投加量试验

4．2．5 解吸试验

4．2．6 生物质炭凝胶颗粒填充柱对溶液芘和废水DOC的去除效果研究

4．2．7 计算方法和数据处理

4．3 结果分析

4．3．1 生物质炭凝胶颗粒对芘的吸附动力学

4．3．2 生物质炭凝胶颗粒对芘的吸附等温线

4．3．3 生物质炭凝胶颗粒投加量对芘去除率的影响

4．3．4 生物质炭凝胶颗粒对芘的解吸

4．3．5 生物质炭凝胶颗粒填充柱对溶液芘和废水的吸附模拟

4．4 讨论

4．5 结论

第五章 全文结论与展望

5．1 全文主要结论

5．1．1 不同作物原料生物质炭对溶液芘的吸附特性

5．1．2 生物质炭氨水改性对溶液芘的吸附特性

5．1．3 生物质炭海藻酸钠凝胶颗粒对溶液芘的吸附特性及应用研究

5．2 创新点

5．3 不足与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢