秸秆生物碳的制备及其在吸附类固醇雌激素中的应用

摘要

生物碳是生物质在缺氧或者无氧条件下低温裂解（一般＜700℃）制备的富碳固体，其结构被称为BC-NOM，BC即为黑碳，而NOM指的是天然有机质，生物碳能够累积于自然环境中，并影响环境中有机污染物的迁移转化，其对有机污染物的吸附性能、吸附机制与机制之间的相互作用已成为目前的研究热点。我国农作物秸秆十分丰富，且废弃严重，将其制备成生物碳并进行土壤污染控制具有重要意义。
　　天然类固醇雌激素是蔬菜大棚土壤中典型的有机污染物，主要来源是畜禽粪便的农用。由于它们在1 ng·L-1的低浓度下就会对水生生物造成危害，所以对其进行综合处理具有重要意义。综上所述，本论文主要做了如下研究:
　　首先，根据我国农作物种类以及农村普遍可以达到的制备条件，确立了最廉价同时最有效的制备秸秆生物碳的方法。并且，从热重分析、元素分析、红外光谱和比表面积等方面表征生物碳的理化性质，并探讨各种理化性质对吸附性能的影响。热重分析显示三种秸秆热解的过程中，在60℃出现一个水分挥发的失重峰，纤维素和半纤维素在300～400℃充分裂解;元素分析显示表征生物碳芳香性、亲水性和极性(H/C、O/C、(N+O)/C)的三种有机元素的原子比并未出现较大差异;红外光谱分析得出，三种秸秆生物碳虽然在无机组分和灰分上存在较大差异，但是各种含碳基团上的差异不明显;比表面积测试结果显示，小麦、玉米和水稻秸秆生物碳的比表面积分别为51.32m2·g-1,47.05 m2·g-1和28.63 m2· g-1。
　　其次，利用制备得到的生物碳，对类固醇雌激素进行吸附实验，探讨吸附机理。吸附实验结果表明，类固醇雌激素在生物碳表面的吸附动力学符合Elovich方程，表示吸附存在表面吸附和分配作用两种吸附机制;吸附热力学符合Freundlich方程，玉米、小麦和水稻的Freundlich系数分别为2609.05、3973.57和2526.15 mg1-nLn·kg-1。采用双模模型对吸附过程中的表面吸附和分配作用进行量化，得出表面吸附的饱和吸附量Q0与三种秸秆生物碳在20 nm以下的总孔体积有很好的正相关关系，表明三种秸秆生物碳表面吸附能力的差异是因为空隙填充机制，而造成分配作用能力差异的原因尚待进一步研究。
　　最后，采集蔬菜大棚基地中的河水及土壤样品，调查环境样品中的典型天然类固醇雌激素的残留水平，并用采集的土壤样品进行吸附类固醇雌激素的实验。检测结果显示，4种目标污染物均有残留，并且证实了主要来源是蓄禽粪便;吸附实验结果显示，大棚土壤因为施用蓄禽粪便，吸附能力大于普通土壤，使用生物碳对土壤样品进行改良后，吸附能力的提升率分别达到57.78％、5.76％和5.27％，提升率波动较大，改良方案有待进一步优化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 类固醇雌激素的国内外研究现状

1．2．1 天然类固醇雌激素的物理化学性质与分类

1．2．2 天然类固醇雌激素的来源与危害

1．2．3 自然环境中类固醇雌激素的分布与归趋

1．3 生物碳的性质、来源和吸附特性

1．3．1 生物碳的性质

1．3．2 生物碳的结构

1．3．3 生物碳的制备

1．3．4 生物碳的吸附

1．4 研究内容与研究意义

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究意义

1．5 研究方案与技术路线

第二章 生物碳的制备和性质表征

2．1 生物碳原料选取与前处理

2．2 制备生物碳

2．3 生物碳的理化性质表征

2．3．1 热重分析

2．3．2 元素分析

2．3．3 FTIR红外光谱

2．3．4 比表面积和孔径分析

2．3．5 SEM扫面电镜

2．4 结果与讨论

2．4．1 生物碳的产率、灰分与元素组成

2．4．2 热重分析

2．4．3 红外光谱分析

2．4．4 比表面积与元素组成

2．4．5 孔径分布与孔体积

2．4．6 扫描电镜

2．5 本章小结

第三章 秸秆生物碳及改良土壤对17β-雌二醇的吸附特性

3．1 污染状况调查

3．1．1 研究区概况

3．1．2 取样与样品测试

3．1．3 测试结果分析

3．1．4 小结

3．2 吸附实验

3．2．1 实验材料

3．2．2 分析测试方法

3．2．3 实验方案

3．2．4 实验结果谈论

3．2．5 小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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