猪炭及其改性对水溶液中Pb2+和Cd2+吸附特性的研究

摘要

生物质炭(biochar)致密的孔隙结构和表面特性有利于水体重金属吸附、络合或形成碳酸盐等沉淀，降低污染物有效态浓度和毒性，是水体重金属污染修复领域的热点材料，对其表面改性有助于提高对重金属的吸附性能。本研究选取病死猪炭作为供试生物质炭，并进行硝酸和超声改性，对比分析改性前后，猪炭基本性质、元素含量、比表面积及孔隙、表面官能团等的变化;将猪炭和改性猪炭作为吸附材料，选取Pb2+和Cd2+作为目标离子，通过批量吸附实验，考察pH、时间、吸附剂投加量、温度及离子初始浓度对吸附性能的影响，采用Largenren准一级、准二级动力学方程、颗粒内扩散方程，Freundlich和Langmuir等温吸附方程，以及热力学方程进行拟合，探究了生物质炭吸附Pb2+和Cd2+的机理。主要研究结果如下:　　(1)猪炭呈强碱性(pH＞10)，CEC、灰分(＞50％)和P(＞7％)含量较高，含Ca、Mg、K等离子，中大孔隙丰富，成年猪炭pH和CEC高于幼年猪炭，幼年猪炭表面积更大，硝酸改性降低了生物质炭CEC、pH和碱度，超声改性减少了CEC含量。硝酸改性降低C、S含量，增加N、H、O、P和灰分含量，超声改性增加猪炭C、N、P含量，减少了H、O和灰分含量。硝酸改性后H/C与(O+N)/C增大，稳定性减弱，芳香化增强，极性减小，硝酸和超声改性降低了其比表面积和孔容，增加表面无机盐含量和羧基、酚羟基等含氧官能团，超声改性猪炭表面官能团变化较硝酸改性小。　　(2)生物质炭吸附Pb2+和Cd2+的过程符合准二级动力学模型，成年猪炭、幼年猪炭、硝酸改性猪炭、超声改性猪炭对Pb2+的吸附速率为0.0038、0.0037、0.0043、0.0038g·mg-1·min-1，对Cd2+的吸附速率为0.0091、0.0331、0.0074、0.0110g·mg-1·min-1，吸附为表面化学吸附配位过程，颗粒内扩散模型表明反应为快速吸附、穿透液膜、粒内扩散平衡三个步骤，且颗粒内扩散并不是该吸附反应进行唯一的控速步骤还包括膜扩散的控制。以上四种生物质炭在离子不同初始浓度下对Pb2+和Cd2+的吸附符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型，Langmuir模型拟合度更高，对Pb2+最大吸附量为81.30、77.52、90.09、81.30mg·g-1，对Cd2+最大吸附量2.72、2.68、3.15、2.76mg·g-1。吸附Pb2+和Cd2+的过程以表面的化学吸附为主，硝酸改性猪炭对Pb2+吸附量提高了1.1倍，对Cd2+吸附量提高了1.15倍，超声改性猪炭对Cd2+吸附量提高了1.01倍，而超声改性前后对Pb2+吸附量相同。成年猪炭含氧官能团、磷元素及交换性阳离子较多，对Pb2+和Cd2+的吸附量大于幼年猪炭，硝酸和超声改性提高了猪炭磷含量，促进Pb2+和Cd2+形成磷酸盐等沉淀。　　(3)成年猪炭、幼年猪炭、超声改性猪炭利于Pb2+吸附的pH范围在3～5.5，有利于Cd2+吸附的pH范围为3.5～5.5，当pH=5.5时，吸附量最大，硝酸改性猪炭在pH=7和6.5时，对Pb2+和Cd2+吸附量最大，硝酸显著降低了猪炭pH值，减小了pH升高对吸附的影响，提高了pH适用范围。对20mL浓度为8mg·L-1的Cd2+溶液，投加量分别为硝酸改性猪炭25mg、超声改性猪炭120mg、未改性的猪炭60mg吸附去除效果最好;对20mL浓度为200mg·L-1的Pb2+溶液，四种生物质炭投加量为200mg时，吸附量最大，且硝酸改性猪炭在吸附过程中吸附量均大于其它三种炭，且去除率最高，生物质炭得到充分利用。　　(4)吸附热力学结果表明当T在283.15K～303.15K时，生物质炭对Pb2+和Cd2+的反应属于自发吸热，且为熵增的过程，升温有利于吸附剂的吸附。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 我国水体重金属污染现状

1．2 水体重金属污染的来源

1．3 水体重金属的危害

1．3．1 水体重金属对人体和动物的危害

1．3．2 水体重金属对植物的危害

1．4 水体重金属污染的去除技术

1．4．1 化学法

1．4．2 生物处理法

1．4．3 物理化学法

1．5 生物质炭概述

1．6 生物质炭对重金属的吸附固定机制

1．7 生物质炭的表面改性和吸附研究

1．8 生物质炭对水体重金属离子吸附的影响因素

1．8．1 溶液pH

1．8．2 吸附时间

1．8．3 温度

1．8．4 吸附剂表面性质

2 研究背景和意义

2．1 研究背景

2．2 研究意义

2．3 研究内容

2．4 技术路线

3 猪炭和改性猪炭理化性质表征和差异对比

3．1 材料与方法

3．1．1 供试生物质炭

3．1．2 供试生物质炭的改性

3．1．3 生物质炭的理化性质表征

3．2 数据处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 生物质炭基本理化性质

3．3．2 生物质炭比表面分析

3．3．3 生物质炭表面形态分析

3．3．4 生物质炭表面官能团分析

3．4 结论

4 猪炭及改性对水溶液中Pb2+和Cd2+吸附特性的研究

4．1 材料和方法

4．1．1 供试生物质炭制备

4．1．2 重金属的吸附试验

4．2 数据处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 吸附动力学分析

4．3．2 等温吸附拟合与分析

4．3．3 生物炭投加量对吸附效果的影响

4．3．4 溶液pH对吸附效果的影响

4．3．5 吸附热力学分析

4．4 结论

5 结论、创新点与研究展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

个人简介

致谢

导师简介