基于养分高效保持的柠条生物炭加工工艺筛选与评价

摘要

关于柠条生物炭对水环境中硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）的高效吸附研究是实现废弃有机资源制备生物炭用于土壤养分保持的关键。本文以土壤养分高效保持为出发点，研究了柠条生物炭不同加工工艺，并辅以液相吸附试验，筛选了最佳生产工艺，并讨论了吸附体系中的环境因子（主要是吸附质初始浓度、反应时间、溶液初始pH、生物炭投加量、其他共存离子等）对柠条生物炭吸附NO3--N和NH4+-N的影响。
　　本试验所得结果主要如下:
　　(1)随热解温度和炭化时间的增加，柠条生物炭的产率下降，柠条生物炭的pH增加。随热解温度的升高，柠条生物炭含碳量增加;含氧量减小;含氮量较稳定。柠条生物炭的CEC表现为总体下降趋势，与对应的O/C比值呈正相关。柠条生物炭的比表面积与总孔体积随热解温度升高、炭化时间延长先增大后减小。结合对SEM分析结果，较低热解温度和较短炭化时间下受热表面较为光滑，层状结构不明显;随热解温度的升高和炭化时间的延长，炭架结构清晰，大量中小孔开始出现使得生物炭表面呈蜂窝状，此时比表面积与总孔体积开始增大;热解温度和炭化时间继续增加时，层状结构边缘有部分坍塌，孔壁被烧蚀的程度加剧，表面愈发粗糙，此时对应的比表面积与总孔体积比之前有所下降。
　　(2)不同加工工艺下制备的柠条生物炭对NO3--N的都有良好的吸附效果。以对NO3--N的吸附量为优选条件，确定了热解温度为650℃、炭化时间3h为制备基于NO3--N吸附的最佳柠条生物炭生产工艺，对NO3--N的吸附率达到了78.67％。
　　(3)以基于NO3--N吸附筛选出来的最佳柠条生物炭，即热解温度为650℃、炭化时间3h下制备的柠条生物炭为研究对象，改变液相吸附体系中的环境因子对柠条生物炭吸附NO3--N造成了如下影响:柠条生物炭对NO3--N吸附率随着柠条生物炭投加量的增加而增大。随着pH的升高，柠条生物炭对NO3--N的吸附量，总体是下降的。柠条生物炭对NO3-N的吸附量在吸附时间为10min时，就已达到平衡状态，吸附速率非常快。引入NH4+作为竞争离子，随着NH4+离子强度的增大，柠条生物炭对NO3--N的吸附量逐渐减小。Langmuir和Freundlich吸附方程对柠条生物炭吸附NO3--N的拟合效果最好，Langmuir吸附方程得出的理论最大吸附量为120.64mg/g，由D-R方程得，该吸附过程主要为化学吸附。柠条生物炭作为NO3--N吸附剂，吸附溶液中NO3--N的推荐条件为:热解温度650℃，炭化时间3h，吸附时间为10-30min，吸附环境pH为3-5，溶液含NO3--N浓度为70-100mg/L，以及柠条生物炭投加量控制在0.4g-0.5g。
　　(4)不同加工工艺下制备的柠条生物炭对NH4+-N都有一定的吸附效果。以对NH4+-N的吸附量为优选条件，确定了热解温度为500℃、炭化时间3h为制备基于NH4+-N吸附的柠条生物炭生产工艺，对NO3--N的吸附率达到了33.13％。
　　(5)以基于NH4+-N吸附筛选出来的最佳柠条生物炭，即热解温度为500℃、炭化时间3h下制备的柠条生物炭为研究对象，改变液相吸附体系中的环境因子对柠条生物炭吸附NH4+-N造成了如下影响:柠条生物炭对NH4+-N吸附率随着柠条生物炭投加量的增加而增大。随着pH的升高，柠条生物炭对NH4+-N的吸附量变化呈持续增长趋势。柠条生物炭对NH4+-N的吸附量在吸附时间为10min时，就已达到平衡状态，吸附速率非常快。引入NO3-作为竞争离子，随着NO3-离子强度的增大，柠条生物炭对NH4+-N的吸附量先升高再下降，最后趋于稳定。Freundlich吸附方程对柠条生物炭吸附NH4+-N的拟合效果最好，Langmuir吸附方程得出的理论最大吸附量为21.38mg/g。柠条生物炭作为NH4+-N吸附剂，吸附溶液中NH4+-N的推荐条件为:吸附时间为10min，吸附环境pH为7-9，溶液含NH4+-N浓度为70-90mg/L，以及柠条生物炭投加量控制在0.4g-0.5g。
　　(6)鉴于柠条生物炭对NO3--N和NH4+-N的吸附试验分析结果，推荐热解温度450-500℃、炭化时间2-3h作为利用柠条制备生物炭的理想工艺。在实际应用中，柠条生物炭对土壤的改良效果与其吸附NO3-N和NH4+-N在土壤中的转化过程有关。因此该工艺下制备的柠条生物炭能否对土壤达到最佳改良效果，还需要后续相关研究的验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 生物炭

1．1．1 生物炭的概念

1．1．2 生物炭的性质

1．1．3 生物炭的制备工艺

1．1．4 生物炭用途

1．2 柠条的资源化利用

1．3 我国氮肥利用现状

1．4 研究思路

第二章 研究内容与方法

2．1 研究内容

2．2 研究材料

2．2．1 原料概况

2．2．2 实验试剂

2．3 研究方法

2．3．1 柠条生物炭的制备

2．3．2 柠条生物炭的表征

2．3．3 柠条生物炭的吸附试验

第三章 加工工艺对柠条生物炭理化性质的影响

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 柠条生物炭的产率

3．2．2 柠条生物炭的CEC与pH

3．2．3 柠条生物炭的表面形貌特征

3．2．4 柠条生物炭的元素分析

第四章 柠条生物炭对水体NO3--N的吸附研究及最佳工艺筛选

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．2 基于水体中NO3--N吸附的柠条生物炭最佳工艺筛选

4．2．4 柠条生物炭投加量对NO3--N吸附效果的影响

4．2．5 溶液初始pH对柠条生物炭吸附NO3--N效果的影响

4．2．6 吸附时间对柠条生物炭吸附NO3--N的影响

4．2．7 竞争离子对柠条生物炭吸附NO3--N的影响

第五章 柠条生物炭对水体NH4+-N的吸附研究及最佳工艺筛选

5．2．1 不同加工工艺所得柠条生物炭对NH4+-N的吸附效果

5．2．2 基于水体中NH4+-N吸附的柠条生物炭最佳工艺筛选

5．2．4 柠条生物炭投加量对NH4+-N吸附效果的影响

5．2．5 溶液初始pH对柠条生物炭吸附NH4+-N效果的影响

5．2．6 吸附时间对柠条生物炭吸附NH4+-N的影响

5．2．7 竞争离子对柠条生物炭吸附NH4+-N的影响

第六章 主要结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介

在学期间研究成果