乌梁素海不同粒径沉积物中黑碳对重金属吸附特征的研究

摘要

采集乌梁素海芦苇区的表层沉积物，提取并纯化不同粒径沉积物中黑碳(BC)，利用结构表征等手段分析BC的共性与特性。选取Pb2+、Cu2+、Cd2+三种重金属元素，以BC1、BC2、BC3和BC4位为吸附剂，研究不同环境条件下（pH、离子强度、BC浓度、M2+浓度以及低分子有机酸浓度下各级分BC与重金属离子的吸附特征，采用Langmuir、Freundlich模型描述BC与重金属离子的吸附特征，并通过对吸附前后BC的红外光谱分析和扫面电镜-能谱分析，揭示BC对重金属离子的吸附机制。得出如下结论:
　　(1)不同粒径BC的元素组成以C和O为主，H/C比呈现出BC1＞BC2＞ BC3＞BC4，BC中芳香结构和双键的数量随粒径的减小而增加，BC1、BC2比BC3、BC4具有更高的亲水性。由于沉积物颗粒堵塞BC部分微孔且提取分离中无法被去除，因此导致各级分BC灰分偏高。FTIR表明，BC1、BC2比BC3、BC4含有更多的弱碳化结构，且芳香碳(C=O)和酚羟基(-OH)的振动与纤维素含氧官能团相似。比表面积及孔隙度分析表明，随着粒径的减小，BC的比表面积随之增大。BC各级分的孔结构以介孔为主。各级分BC的形态和大小不一，乌梁素海沉积物中BC的来源主要是生物炭，且芦苇生物炭在其中所占比例相对最大。
　　(2)各级分BC对重金属离子吸附动力学曲线上升趋势具有共性，Pb2+、Cu2+和Cd2+的平衡吸附量的顺序是BC4＞BC3＞BC2＞BC1。各级分BC对重金属离子的吸附符合准一级和准二级动力学模型。等温吸附中，随着金属离子初始浓度的增大，BC各级分对Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附量也逐渐增大，并逐渐达到饱和，随着BC粒径的减小，金属离子的吸附量越大。Langmuir和Freundlich模型拟合结果表明各级分BC对Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附以单分子层吸附为主。
　　(3)随着BC浓度的增大，其对金属离子的吸附能力也会增大;随着pH的增大，金属离子的吸附量和去除率也增大。在pH=5时，Pb2+和Cu2+达到最大吸附量。当pH＜6时，Pb2+和Cu2+的去除机制主要是吸附;当pH＞6时，去除机制是Pb2+和Cu2+水解沉淀作用。各级分BC在溶液中均具有一定的缓冲作用。随着离子强度的增大，BC对重金属离子的吸附能力逐渐减小。低浓度(＜5 mg/L)的柠檬酸会促进吸附，高浓度起抑制作用;草酸始终抑制吸附。反应前后BC的SEM-EDS分析表明重金属离子吸附在各级分BC表面，随着BC粒径的减小，相应的重金属离子的峰面积依次增大。反应前后BC的FTIR分析表明BC表面的羟基和羧基对BC吸附重金属离子有一定的贡献性，但其主导机制仍是表面吸附。
　　(4)＜63μm的组分为颗粒物的沉积物主要组分，即BC3和BC4为主导级分。BC约占总沉积物的1％，随着BC粒径的减小，其在沉积物中所占的比例依次增大。各级分BC吸附重金属离子的贡献率随着BC粒径的减小而增大，并呈现出Pb2+＞Cd2+＞Cu2+。
　　(5)不同粒径沉积物中BC对重金属离子混合体系吸附动力学曲线上升趋势具有共性，Pb2+、Cu2+和Cd2+的平衡吸附量的顺序是BC4＞BC3＞BC2＞BC1，且Pb2+的吸附量远远大于Cu2+和Cd2+。各级分BC对重金属离子的吸附符合准一级和准二级动力学模型。随着金属离子初始浓度的增大，各级分BC对Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附量也逐渐增大，随着BC粒径的减小，金属离子的吸附量越大。同一级分BC对不同重金属离子的条件下，当混合离子初始浓度相对较低时，各级分BC对重金属离子的吸附竞争系数略微波动，但总体趋势表现为Pb2+和Cd2+减小而Cu2+增大;随着各重金属离子初始浓度不断增大，Pb2+，Cu2+和Cd2+的竞争系数趋于平稳，且呈现为竞争系数Pb2+＞Cu2+＞Cd2+，其原因是相较于Cd2+和Cu2+，Pb2+拥有较强的竞争吸附能力且已经夺取了大部分吸附点位。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 黑碳的概述

1．1．1 黑碳的分类与形成

1．1．2 黑碳的来源

1．1．3 黑碳的结构及理化性质

1．2 黑碳的研究进展

1．2．1 黑碳与重金属的作用

1．2．2 沉积物中黑碳的研究现状

1．3 选题依据与意义

第二章 研究区概况与研究方法

2．1 研究区概况

2．2 研究方法

2．2．1 样品采集与保存

2．2．2 实验仪器与试剂

2．2．3 不同粒径沉积物的分级和BC的提取纯化

第三章 不同粒径沉积物中黑碳的结构与组成特征

3．1 元素分析

3．2 傅里叶变换红外光谱

3．3 比表面分析测定

3．4 扫描电镜

3．5 小结

第四章 不同粒径沉积物中黑碳对重金属的吸附研究

4．1 不同粒径沉积物中黑碳对铅的吸附研究

4．1．1 实验方法

4．1．2 不同粒径沉积物中黑碳对铅的吸附动力学研究

4．1．3 不同粒径沉积物中黑碳对铅离子的等温吸附研究

4．1．4 黑碳浓度、pH、离子强度、低分子有机酸对BC吸附铅的影响

4．1．5 反应前后黑碳的傅里叶变换红外光谱、扫描电镜及能谱分析

4．2 不同粒径沉积物中黑碳对铜的吸附研究

4．2．1 实验方法

4．2．2 不同粒径沉积物中黑碳对铜的吸附动力学研究

4．2．3 不同粒径沉积物中黑碳对铜离子的等温吸附研究

4．2．4 黑碳浓度、pH、离子强度、低分子有机酸对BC吸附铜的影响

4．2．5 反应前后黑碳的傅里叶变换红外光谱、扫描电镜及能谱分析

4．3 不同粒径沉积物中黑碳对镉的吸附研究

4．3．1 实验方法

4．3．2 不同粒径沉积物中黑碳对镉的吸附动力学、热力学研究

4．3．3 不同粒径沉积物中黑碳对镉离子的等温吸附研究

4．3．4 黑碳浓度、pH、离子强度、低分子有机酸对BC吸附镉的影响

4．3．5 反应前后黑碳的傅里叶变换红外光谱、扫描电镜及能谱分析

4．4 小结

第五章 沉积物中黑碳对铅、铜、镉吸附特征的对比分析

5．1 黑碳对Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附动力学和等温吸附特征

5．2 黑碳浓度、pH、离子强度对BC吸附Pb2+、Cu2+和Cd2+的影响对比

5．2．1 黑碳浓度对BC吸附Pb2+、Cu2+和Cd2+的影响

5．2．2 pH对BC吸附Pb2+、Cu2+和Cd2+的影响

5．2．3 离子强度对BC吸附Pb2+、Cu2+和Cd2+的影响

5．3 黑碳在不同粒径沉积物上的分布和贡献率

5．4 小结

第六章 不同粒径沉积物中黑碳对重金属的竞争吸附研究

6．1 不同粒径沉积物中黑碳对重金属竞争吸附

6．1．1 实验方法

6．1．2 吸附反应动力学

6．1．3 吸附等温线

6．1．4 吸附竞争系数

6．2 反应前后黑碳的傅里叶变换红外光谱、扫描电镜及能谱分析

6．2．1 反应前后黑碳的红外光谱分析

6．2．2 反应前后黑碳的扫描电镜及能谱分析

6．3 小结

第七章 结论

参考文献

致谢

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