生物质炭老化过程表面性质的变化及其对菲吸附性能的影响机制

摘要

随着全球工业化的不断发展，引发的气候变暖与环境污染问题逐渐在当今世界可持续发展的道路上显现出来。在寻求全球碳库及新的环境吸附剂的过程中，生物质炭因其高度的化学与生物稳定性而逐渐成为人们研究的热点课题。作为一种有效的碳捕获与存储技术，生物质炭已经逐渐被人们看作为大气中CO2永久的碳库，此外，生物质炭具有高度的芳香化结构和大的比表面积，对环境中污染物的固定与生物有效性有着重要的影响。然而生物质炭仅保存着相对稳定，在自然环境中仍会发生缓慢的降解，并且在降解过程中会影响对污染物固定的稳定性。本研究在总结生物质炭稳定性及吸附性能等研究进展的基础上，以稻壳和秸秆为前体物，在350℃和550℃两个热解温度下制备的生物质炭为代表，通过不同洗脱处理研究了洗脱方式对生物质炭性质及吸附行为的影响，并且通过元素分析、热重分析、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜和核磁共振等技术手段及平衡吸附试验，探究生物质炭老化过程中结构的动态变化及对菲吸持作用的影响。为生物质炭在环境中的稳定机制以及对污染物质吸附固定机制等提供理论依据，同时为寻求高性能的环境吸附材料提供技术支撑。主要研究结果如下:
　　(1)选用水稻稻壳制备成生物质炭，通过不同的洗脱剂洗脱处理，考察了两种热解温度下(350℃、550℃)制备的稻壳炭热解副产物的成分组成及不同洗脱剂处理效果，并且通过批量平衡法探究了不同洗脱后的生物质炭对菲吸持作用的影响。结果表明，不同洗脱剂均能部分去除生物质炭热解过程中形成的副产物，低温热解条件下的稻壳炭，碱洗脱出的有机碳含量高达258.82 mg·g-1，而高温热解条件下的生物质炭，酸洗脱出来的有机碳含量高达130.08 mg·g-1。炭化温度的不同对生物质炭热解副产物的成分组成影响较大，但主要仍为有机酸、醇、酯和酮等物质，且对于单一洗脱剂处理生物质炭，酸液或碱液更有利于去除热解副产物。350℃热解的稻壳炭，对菲的最大吸附量为1.87 mg· g-1，经酸洗脱后生物质炭对菲的吸附能力有所减弱，减小到1.77 mg· g-1，而经碱、醇两种洗脱处理后的稻壳炭吸附能力明显增强，分别增加到4.02mg·g-1与4.17 mg·g-1;550℃热解的稻壳炭，对菲的最大吸附量为2.24 mg· g-1，经酸、碱与醇洗脱后的稻壳炭对菲的吸附能力均有所增强，分别增加到3.83 mg·g-1、5.08mg·g-1和4.43 mg· g-1。
　　(2)选择水稻稻壳与秸秆在两种热解温度下制备成生物质炭，模拟自然条件避光培养300 d，通过多种仪器手段及平衡吸附试验，探究生物质炭老化前后的动态结构变化及对菲吸持作用的影响。结果表明，生物质炭老化过程中氧含量增加，含氧基团增多，对菲的非线性吸附行为显著增强。热解温度的不同决定了生物质炭老化过程中性质变化的差异，350℃热解的稻壳炭，老化后极性增强，芳香性减弱，而550℃热解的稻壳炭与秸秆炭，老化后脂肪族炭类物质增加，羧基减少，芳香性增强，Langmiur预测的菲在350℃热解的稻壳炭上老化前后的最大吸附量分别为3.57、2.35mg·g-1，主要是老化后性质变化抑制了表面吸附作用，而550℃热解的稻壳炭老化前后的最大吸附量分别为0.42、4.17 mg·g-1，秸秆炭老化前后的最大吸附量分别为1.21、3.36 mg·g-1，老化后吸附量的显著增加主要是生物质炭性质变化促进了对菲的分配作用与表面吸附作用。550℃稻壳炭老化后对菲的吸附容量的增加程度强于秸秆炭，其原因除二者的材料不同外，与脂肪族中醚键的增加有着显著的关系。研究生物质炭在自然环境中的老化行为对环境污染物固定的稳定性有着重要意义。
　　(3)以水稻稻壳为代表，选取两个热解温度(350℃、550℃)制备成生物质炭，通过室内老化培养，探究生物质炭老化不同时间段的性质及结构变化，以及对污染物的吸附行为。结果表明，稻壳炭在老化过程中整体上含氧量得到增加，但老化过程中可能会存在某一阶段的氧含量减少趋势。350℃热解条件下，随着老化时间的增加，稻壳炭表面羟基减少，极性增强，芳香性减弱，表面吸附作用逐渐受到抑制，对菲的固定能力逐渐减弱，550℃热解条件下，随着老化时间的增加，稻壳炭对菲的吸附能力整体上逐渐增强，主要与分配作用的增强有关。经铜离子吸附饱和后的稻壳炭，与原稻壳炭相比整体上会抑制对菲的固定能力，并且不同老化时间段被铜吸附饱和的稻壳炭对菲的抑制能力有所不同，有机污染物与重金属的竞争较强，不利于生物质炭对二者的共同修复。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 生物质炭结构特性及环境功能的研究

1．3 生物质炭表面稳定性的影响机制及对污染物吸附作用研究进展

1．3．1 生物质炭稳定性及影响因素

1．3．2 生物质炭对污染物吸附作用的研究进展

1．4 本文研究目的、主要内容与技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 主要研究内容

1．4．3 技术路线

第二章 生物质炭化后非炭物质的洗脱处理研究

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 供试材料的采集与制备

2．2．2 稻壳炭的不同洗脱处理

2．2．3 菲吸附实验

2．2．4 分析测定方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 不同洗脱液处理后的稻壳炭基本物理性质

2．3．2 不同洗脱处理下稻壳炭洗出液总有机碳含量的变化

2．3．3 稻壳炭洗脱液成分组成

2．3．4 不同洗脱处理后的稻壳炭对菲吸附作用的影响

2．4 本章小结

第三章 老化的生物质炭性质变化及对菲吸附的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 生物质炭的制备及性质表征

3．2．2 生物质炭的前处理及培养

3．2．3 生物质炭吸附试验

3．3 结果与讨论

3．3．1 “新”、“老”生物质炭易氧化态物质含量变化

3．3．2 生物质炭老化前后表面性质的变化

3．3．3 菲在“新”、“老”生物质炭上的吸附行为

3．4 本章小结

第四章 生物质炭老化进程中表面性质及吸附性能的变化

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 供试材料的选择与制备

4．2．2 实验方法

4．2．3 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 生物质炭老化过程中基本性质变化

4．3．2 生物质炭老化过程中热重分析

4．3．3 不同老化阶段生物质炭表面易氧化态碳含量变化

4．3．4 生物质炭老化进程中表面性质的变化

4．3．5 菲在不同老化阶段的生物质炭上的吸附行为

4．3．6 铜离子作用下的生物质炭对菲的吸附行为探究

4．4 本章小结

第五章 全文总结及展望

5．1 全文总结

5．2 创新之处

5．3 研究展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文