鼠李糖脂与海藻酸钠对生物炭吸附/解吸萘的影响规律与机制

摘要

生物炭是生物质在厌氧或缺氧条件下高温热解炭化产生的一种物质，具有比表面积大、孔隙度好、吸附能力强的特点，被广泛应用于农业和环境领域，是一种绿色环保吸附剂。多环芳烃(PAHs)是自然界中一类典型的持久性有机污染物，且在土壤和沉积物中分布广泛。由于吸附剂的高亲和力，吸附已经成为去除环境中多环芳烃的一种重要方式。本论文选用不同热解温度玉米生物炭和小麦生物炭作为吸附材料，研究生物炭对多环芳烃萘的吸附动力学、吸附等温线、解吸等温线以及解吸动力学特征，并研究不同浓度鼠李糖脂、海藻酸钠对吸附和解吸的影响;用不同模型模拟数据，阐释生物炭对萘的吸附与解吸机制，得出的主要结果与结论如下:
　　(1)不同物料来源不同热解温度生物炭的理化性质存在差异。本研究选用热解温度为300、400、500、600℃的玉米生物炭(记作C300、C400、C500、C600)和300、400、500、600℃的小麦生物炭(记作M300、M400、M500、M600)。玉米生物炭的芳香化程度高于小麦生物炭，且微孔的平均孔径大于小麦生物炭。低温炭的芳香化程度低于高温炭，表面官能团的种类和数量多于高温炭。玉米生物炭和小麦生物炭都具有丰富的孔隙结构。
　　(2)选取热解温度为300、400、500、600℃的玉米生物炭和小麦生物炭作为吸附剂，萘为目标污染物，进行吸附动力学实验。结果表明，同种热解温度下小麦生物炭对萘的平衡吸附量大于玉米生物炭对萘的平衡吸附量。在热解温度为300-600℃的玉米生物炭中，400℃玉米生物炭对萘的平衡吸附量最大;在热解温度为300-600℃的小麦生物炭中，500℃小麦生物炭对萘的平衡吸附量最大。与假一级动力学方程相比，假二级动力学方程能更好地拟合不同剂量、不同热解温度生物炭对萘的吸附动力学，说明生物炭对萘的吸附与生物炭的吸附位点有关，并不是单一的单层吸附。用颗粒内扩散模型以及Boyd模型拟合发现，液膜扩散以及颗粒内扩散均影响吸附过程，且液膜扩散为整个吸附过程的限速因素。
　　(3)选取热解温度为300、400、500、600℃的玉米生物炭和300、400、500、600℃的小麦生物炭作为吸附剂，萘为目标污染物，进行吸附等温线实验。用Freundlich方程拟合各热解温度的玉米生物炭和小麦生物炭对萘的吸附等温线，N值均小于1，说明它们对萘的吸附均属于非线性吸附。生物炭对萘的吸附机制不同，用双模式模型分析分配作用和表面吸附作用对生物炭吸附萘的贡献，相同物料来源不同热解温度的生物炭，分配作用和表面吸附作用对吸附的贡献也不同。
　　(4)选用热解温度为400、600℃的玉米生物炭和小麦生物炭作为吸附剂，萘为目标污染物，鼠李糖脂和海藻酸钠为外源添加物，进行吸附等温线实验。添加不同浓度的鼠李糖脂，对玉米生物炭吸附萘起促进作用，对小麦生物炭的吸附起抑制作用。添加海藻酸钠，对玉米生物炭吸附萘整体呈促进作用，对小麦生物炭吸附萘的趋势不同，促进400℃小麦生物炭对萘的吸附，抑制600℃小麦生物炭对萘的吸附。鼠李糖脂、海藻酸钠的添加浓度、生物炭的热解温度以及萘的初始浓度均影响最终的平衡吸附量。
　　(5)选取已吸附萘的热解温度为300、600℃的玉米生物炭做解吸，鼠李糖脂和海藻酸钠为外源添加物，进行解吸等温线和解吸动力学实验。结果表明，300、600℃的玉米生物炭和小麦生物炭的解吸滞后作用均属于正滞后作用，生物炭对萘吸附是不可逆的。Elovich方程可以很好地拟合解吸数据，300、600℃玉米生物炭的解吸过程是非均相扩散。用两相解吸速率模型分析生物炭吸附态萘的解吸，300、600℃玉米生物炭中均含有大量不可逆难解吸组分，且300℃玉米生物炭中的量小于600℃玉米生物炭。鼠李糖脂和海藻酸钠均对生物炭上吸附态萘的解吸起抑制作用。

目录

声明

符号说明

摘要

1 前言

1．1 多环芳烃的种类性质及污染现状

1．2 生物炭的性质及对污染物环境行为的影响

1．3 外源物质对生物炭吸附萘的影响

1．3．1 鼠李糖脂

1．3．2 海藻酸钠

1．4 本论文研究内容

1．4．1 生物炭的制备与表征

1．4．2 生物炭对萘的吸附动力学

1．4．3 生物炭对萘的吸附等温线

1．4．4 鼠李糖脂、海藻酸钠对生物炭吸附萘的影响

1．4．5 生物炭解吸

2 材料与方法

2．1 生物炭的制备与表征

2．1．1 生物炭的制备

2．1．2 生物炭理化性质的测定

2．1．3 生物炭中萘含量的测定

2．2 不同热解温度玉米和小麦秸秆生物炭对萘的吸附动力学

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 不同剂量不同热解温度的玉米秸秆生物炭对萘的去除率

2．2．3 不同热解温度玉米、小麦秸秆生物炭对萘的吸附动力学

2．2．4 数据分析方法

2．3 不同热解温度玉米、小麦秸秆生物炭对萘的吸附等温线实验

2．3．1 试剂与仪器

2．3．2 不同热解温度玉米、小麦秸秆生物炭对萘的吸附等温线

2．3．3 数据分析方法

2．4 鼠李糖脂、海藻酸钠对生物炭吸附萘的影响

2．4．1 试剂与仪器

2．4．2 添加鼠李糖脂、海藻酸钠后生物炭对萘的吸附等温线

2．4．3 数据分析方法

2．5 玉米生物炭吸附萘的解吸

2．5．1 试剂与仪器

2．5．2 确定解吸固液比的实验

2．5．3 解吸动力学实验

2．5．4 添加不同浓度鼠李糖脂、海藻酸钠对玉米生物炭解吸的影响

2．5．5 数据分析方法

3 结果与讨论

3．1 生物炭性质

3．1．1 生物炭的产量和CEC

3．1．2 元素分析

3．1．3 官能团的种类和数量

3．1．4 表面形态

3．1．5 红外光谱分析

3．2 不同热解温度玉米和小麦秸秆生物炭对萘的吸附动力学

3．2．1 不同剂量玉米秸秆生物炭对萘的去除率

3．2．2 玉米生物炭和小麦生物炭对萘的吸附动力学

3．4 不同热解温度玉米、小麦秸秆生物炭对萘的吸附等温线

3．4．1 平衡吸附量

3．4．2 吸附等温线

3．4．3 双模式模型对吸附等温线的拟合

3．5 不同浓度鼠李糖脂、海藻酸钠对生物炭吸附萘的影响

3．5．1 鼠李糖脂对生物炭吸附萘的影响

3．5．2 海藻酸钠对生物炭吸附萘的影响

3．6 玉米生物炭吸附萘的解吸

3．6．1 解吸固液比的确定

3．6．2 解吸等温线

3．6．3 解吸动力学

3．6．4 鼠李糖脂、海藻酸钠对生物炭中吸附萘解吸的影响

4 结论

参考文献

致谢

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