利用作物秸杆制备高性能吸附材料并用于水中多环芳烃治理

摘要

我国作为一个农业大国,作物秸秆产量很大,但在作物秸秆综合利用方面,其大部分利用方式的实际应用技术还不完善;农作物秸秆大部分被焚烧或废弃,既浪费资源又污染环境。因此,研究利用农作物秸秆制备生物质环境材料的技术工艺,探讨其对水中具有强“三致”效应的多环芳烃(PAHs)的吸附性能,这将为实现农作物秸秆的资源化利用、发展经济高效的水环境污染治理技术等提供依据。
　　 本文研究了秸秆生物质环境材料的制备及对水中多环芳烃的处理性能,探讨H3PO4表面改性后秸秆生物质环境材料的性质指标及其吸附性能的变化,揭示共存重金属Hg对所制备的秸秆生物质环境材料吸附PAHs的影响。主要研究结果如下:
　　 (1)研究了秸秆生物质环境材料的制备及对水中多环芳烃的处理性能。300～700℃下热解炭化黄豆、芝麻、玉米秸秆8h,制备了秸秆生物质环境材料,测定了秸秆生物质环境材料的BET比表面积及其对亚甲基蓝和碘的吸附能力。以PAHs为目标污染物,探讨了生物质环境材料对水中单一和复合PAHs的吸附性能。随热解温度升高,秸秆生物质环境材料比表面积增大,其对亚甲基蓝、碘的吸附能力增强。所制备的生物质环境材料吸附水中PAHs的能力强,以700℃下制备的黄豆秸秆生物质环境材料为例,0.01g材料对32mL水中萘、苊、菲的去除率分别高达91.28％、89.01%和99.66%;生物质环境材料对水中3种PAHs的去除率大小顺序为菲＞萘＞苊。不同秸秆制备的生物质环境材料对水中萘和苊的去除能力大小为玉米＞黄豆＞芝麻,而对菲的去除能力则为黄豆＞玉米＞芝麻。研究结果可为农作物秸秆的资源化利用、制备经济高效的生物质环境材料等提供依据。
　　 (2)H3PO4表面改性秸秆生物质环境材料,并研究了其对水中PAHs的去除性能。测定了H3PO4表面改性的秸秆生物质材料的比表面积及其对亚甲基蓝和碘的吸附能力,试验了其对水中不同固液比(0.01g/32ml和0.02g/32ml)下单一和复合PAHs的吸附性能。结果表明,随热解温度升高,秸秆生物质材料比表面积增大,对碘和亚甲基蓝的吸附能力增强,表面改性的秸秆生物质材料的性质指标更佳;例如,700℃下制备并经H3PO4表面改性的秸秆生物质材料的比表面积为269.95m2·g-1,对碘和亚甲基蓝的吸附能力达433.95和150.07mg·g-1。表面改性的生物质环境材料吸附水中PAHs的能力强,例如,700℃下制备并经H3PO4表面改性的秸秆生物质材料对水中(固液比0.01g/32mL)萘、苊和菲的去除率分别高达94.44%、95.47%和100%,均比相同条件下未经H3PO4改性的要高。
　　 (3)研究了所制备的秸秆生物质材料对水中菲和Hg2+的共吸附作用。结果表明,有无H2g2+的存在下,生物质材料对水中菲的等温吸附曲线均为线型;有无菲存在下,生物质材料对Hg2+的等温吸附曲线均可用Langmiur方程拟合。共存Hg2+降低了秸秆材料对水中菲的吸附,且随Hg2+浓度提高,菲分配系数减小。类似的,菲也降低了秸秆材料对水中Hg2+的吸附。表明,Hg2+与菲存在竞争吸附。竞争作用的大小与溶液中菲和Hg2+的浓度有关。菲浓度相同、Hg2+初始浓度较低时,Hg2+对秸秆吸附菲的影响不显著;当Hg2+浓度＞32ug·L-1时,Hg2+的存在大大降低了材料对水中菲的去除率。Hg2+浓度相同、菲初始浓度较低时,菲对材料去除水中Hg2+的影响较大;而当菲＞5mg·L-1时,菲的影响则不显著。