生物炭对水中邻苯二甲酸二甲酯的吸附研究

摘要

生物炭对水溶液中邻苯二甲酸酯类（phthalates acid esters,PAEs）有机污染物的吸附研究，可提高我国生态文明建设中农业废弃物的资源化利用率，同时为去除邻苯二甲酸酯提出绿色环保处理处置方法，具有良好的社会环境效益。在已有生物炭对邻苯二甲酸酯类的吸附研究中，一般吸附过程耗时较长，同时作为疏水性的生物炭在水溶液中的应用存在弊端，同时，目前对生物炭大量应用于修复水溶液中PAEs的效果与可行性仍未统一确定，本文在以农业废弃物为原材料的基础上，进行碱性预处理，提高生物炭的吸附效率。主要选用花生壳、莲杆为原料制备生物炭，用氢氧化钠溶液对原材料进行碱性预处理，以邻苯二甲酸二甲酯（DMP）为例，研究了炭化温度、底物浓度以及投加量对吸附的影响，并采用响应曲面优化法优化生物炭对DMP的吸附效果。同时通过对吸附动力学和吸附热力学的研究，并采用元素分析、拉曼光谱、傅里叶红外光谱等技术，深入探究了生物炭对DMP的吸附机理，主要结论如下： （1）通过比较花生壳、桉树皮、茶树籽、桐树籽、松树籽、莲杆分别在400℃、500℃、600℃、700℃、800℃条件下热解一小时得到的各生物质炭对DMP的去除效果发现，花生壳和莲杆制备的生物质炭对DMP的吸附效果较好，花生壳基生物质炭（PBC）的吸附率可以达到82.18%，吸附量达到123.28mg/g，莲杆生物质炭（LBC）的吸附率可以达到81.27%，吸附量达到121.9mg/g。 （2）元素分析和拉曼光谱图表明，随着制备温度的升高，生物炭芳香官能团增加，纤维素的芳香性增大，极性降低，形成的炭化产物具有更强的疏水性，同时石墨化程度增大，更趋向于有序的炭结构，孔径和比表面积下降，会影响到生物质炭材料的吸附性能，导致600℃的生物炭比石墨化程度更高的800℃效果更好。 （3）在单因素影响与响应优化实验中，考察了炭化温度、底物浓度以及投加量对吸附的影响，生物炭吸附DMP的最优条件为吸附剂投加量0.1g/50mL，即固液比为2:1g/L，未经处理的原材料制备的生物质炭在吸附反应24h基本达到吸附平衡，吸附效率为82.18%，而经过碱处理后的原材料制备的生物炭，在吸附DMP的过程中，2h即可达到反应平衡，同时吸附效率提高至98.47%，对原材料进行碱性预处理可大大提高生物炭对DMP的吸附效率。 （4）吸附实验的进一步研究发现，生物炭对DMP的吸附动力学符合准二级动力学模型，这说明吸附过程主要受化学反应的机理控制。由于反应初始阶段，生物质炭不规则的表面结构和巨大的比表面积有利于快速吸附DMP分子，DMP分子首先很快被吸附到生物炭颗粒表面，并填充到生物炭的孔隙之中，使得PBC对DMP的吸附量迅速增加。随着吸附过程的深入，生物炭的孔隙逐渐被DMP分子占据，逐渐变小，DMP分子逐渐进入生物炭内部不易吸附的疏水位点，速度减缓，因而在吸附反应中后期，PBC对DMP的吸附率增长缓慢，直至达到吸附平衡状态。 （5）红外光谱（FTIR）图说明高温炭化导致材料中大量芳构化结构和一些羧基、酮类、醛类及内酯类官能团的减少。吸附过程改变了苯环上取代基团的取代位置，同时苯环结构可能使分子内或分子间的氢键断裂，与高温裂解形成的生物炭石墨片层结构发生π-πEDA相互作用，从而形成较强的π-π共轭。

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