不同热解条件下合成生物炭对铜离子的吸附动力学研究

为了揭示生物质炭对铜离子的吸附动力学特性,研究了以不同条件下合成的生物质炭作为吸附剂吸附铜离子的动力学过程.用生活中常见的玉米芯和龙爪槐为原材料,以限氧升温炭化法制备生物炭.表征了其结构和表面特征,又通过一系列批实验,研究不同热解温度(300、400、500、600和700℃)和不同热解时间(1、2、4、6、8 h)的玉米芯与龙爪槐生物炭对Cu~(2+)的吸附动力学特征与机理.结果表明,生物炭对Cu~(2+)的吸附动力学数据随时间的变化能很好的用准二级动力学方程进行拟合,可见生物炭对Cu~(2+)的吸附是复杂的,不是单一的单层吸附.同时用颗粒内扩散模型、班厄姆方程和Boyd外扩散模型进行分析,结果表明颗粒内扩散不是两种生物炭吸附铜离子的唯一速率控制步骤,液膜扩散和颗粒内扩散均在吸附过程中起到重要影响,且液膜扩散是主要的限速因素.     

浒苔生物炭的特征及其对Cr(Ⅵ)的吸附特点和吸附机制

为使浒苔得到资源化利用,本研究采用慢速热解技术于不同温度下制备浒苔生物炭,并对其理化性质进行表征.结果表明,400℃时,浒苔裂解已达较高程度.浒苔生物炭产率及灰分含量与热解温度呈负相关,碳含量与热解温度呈正相关,其表面呈蜂窝状多孔结构,比表面积为44.54~317.82 m~2·g~(-1),表面含有丰富的羟基(—OH)和羧基(—COOH)等含氧官能团.吸附实验显示,浒苔生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附符合准二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型.表明浒苔生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附为单分子层化学吸附,主要受快速反应过程控制.浒苔生物炭吸附Cr(Ⅵ)的最适p H为2,吸附容量表现为BC400BC700BC600BC500BC300,其中BC400的吸附量为4.79 mg·g~(-1).浒苔生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附机制主要包括生物炭与HCr O-4和Cr2O_2-7等阴离子之间的静电作用,以及生物炭表面—OH和—COOH等含氧官能团的络合作用.     

污泥生物炭硼掺杂改性及其对水中1,2-二氯乙烷吸附行为和机制

以市政污泥为前驱体，采用硼酸掺杂改性共热解法，制备了污泥生物炭(BC600)和B掺杂污泥生物炭(BBC600),采用SEM、BET、FTIR、Zeta电位和静态接触角等手段对材料进行了结构表征，研究了BC600和BBC600对水中1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)的吸附行为、机制和影响因素.结构表征结果表明，B掺杂改性后，生物炭中B元素含量、比表面积和孔容分别提高了76%、48%和30%;B掺杂改性对生物炭表面电荷及亲疏水性影响不大，BC600和BBC600表面均带有负电荷，接触角均<90°,两者均具有较好的亲水性.吸附实验结果表明，BBC600对1,2-DCA的吸附性能优于BC600,缘于BBC600更大的比表面积和强度更高的含氧官能团；准一级动力学方程可以较好描述BC600吸附1,2-DCA过程，准二级动力学方程能较好拟合BBC600吸附1,2-DCA过程，颗粒内扩散不是影响吸附速率的唯一限速步骤；碱性条件下生物炭材料更加分散和稳定，且其含氧官能团去质子化，供电子能力增强，有利于对1,2-DCA的吸附；腐殖酸(HA)对BC600吸附1,2-DCA呈现低浓度促进，高浓度抑制的作...     

玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中无机氮的吸附性能

为探明玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中无机氮的吸附性能,研究了其对NH₄⁺-N、NO₃^--N和NO₂^--N的吸附动力学过程;并用等温吸附模型对NH₄⁺-N和NO₃^--N的吸附过程进行拟合,探讨制得生物炭对无机氮的吸附机理.结果表明,400℃和600℃制得玉米秸秆和玉米芯生物炭均呈碱性,表现为400℃ < 600℃;同种原材料,与400℃制得生物炭相比,600℃制得生物炭碱性含氧官能团数量较多,而酸性含氧官能团数量较少.400℃制得生物炭对NH₄⁺-N的吸附能力较强(玉米秸秆和玉米芯生物炭的平衡吸附量分别为4.22和4.09mg/g);而600℃制得生物炭对NO₃^--N和NO₂^--N的吸附能力较强(玉米秸秆和玉米芯生物炭对NO₃^--N的平衡吸附量分别为0.73和0.63mg/g;对NO₂^--N的平衡吸附量分别为0.55和0.35mg/g).与NO₃^--N和NO₂^--N相比,玉米秸秆和玉米芯生物炭对NH₄⁺-N的吸附能力更强,4种生物炭对NH₄⁺-N的平衡吸附量是NO₃^--N/NO₂^--N的4.29~20.2倍.等温吸附模型拟合研究表明,玉米秸秆和玉米芯生物炭对水溶液中NH₄⁺-N和NO₃^--N的吸附过程均可用Freundlich模型描述,其在生物炭表面的吸附是多分子层吸附.     

不同热解温度生物炭对 Cd(Ⅱ)的吸附特性

以花生壳和中药渣为原料,分别于300、350、400、500、600℃下慢速热解制备生物炭,并表征其物理化学性质.研究不同p H、吸附时间和Cd(Ⅱ)浓度下生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附特征.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的碳化程度增加,比表面积增大,含氧官能团数量减少,π共轭芳香结构更加完备,Ca和Mg等无机元素不断富集,矿物溶解性降低,导致了Cd(Ⅱ)在不同热解温度生物炭上吸附能力及机制的差异.随溶液p H的升高(2.0~6.0),生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附量逐渐增加.吸附过程可分为快吸附和慢吸附两个阶段,吸附速度受膜扩散、颗粒内扩散和沉淀作用、离子交换等过程的控制.随热解温度的升高,快吸附在生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附中所占比例逐渐降低.高温生物炭(≥500℃)中含氧官能团的锐减及难溶晶体矿物的形成降低了其对Cd(Ⅱ)的快吸附速率.沉淀和离子交换可能是低温生物炭(≤400℃)吸附Cd(Ⅱ)的主要机制;高温生物炭(≥500℃)中更完备的π共轭芳香结构增加了Cd-π作用对吸附的贡献,而难溶磷酸盐和碳酸盐的形成则降低了沉淀作用对吸附的贡献.这些研究结果为筛选对Cd(Ⅱ)具有高效去除或固持能力的功能生物炭(designer biochar)提供了重要的理论数据.     

改性菱角壳生物炭吸附水中土霉素性能与机理

以菱角壳为原料,乙酸钾为活化剂,通过活化碳化一步法制备了改性生物炭（MBC）,对其表面形貌、孔径分布、官能团等表面性能进行了表征,并研究了其对水中盐酸土霉素（OTC）的吸附去除行为.相比于热解生物炭（BC）,MBC有更高的比表面积（1147.80m²/g）、更丰富的孔径结构,更多的含氧官能团和更强的亲水性.溶液pH值在3~8时,MBC对OTC保持较高的吸附量（165mg/g）.拟二级动力学模型和Langmuir模型可以很好地描述MBC对OTC的吸附行为.热力学分析显示MBC对OTC的吸附是一个自发吸热过程.除氢键作用、π-π键堆积作用和阳离子-π键作用以外,孔填充是MBC吸附去除OTC的主要作用机理.0.5mol/L氢氧化钠溶液可有效再生吸附饱和的MBC.因此,MBC作为一种吸附剂去除水和废水中的土霉素具有较好的潜能.     

小麦秸秆生物炭对水中对羟基苯甲酸乙酯的吸附特性

对羟基苯甲酸乙酯属于尼泊金酯类物质,是一种典型的新兴环境污染物.本研究通过制得不同热解温度(300、500和700℃)下的小麦秸秆生物炭(分别表示为BC300、BC500、BC700),对水中对羟基苯甲酸乙酯进行间歇吸附.结果表明,热解温度升高会导致生物炭表面疏水性增强,且引起零电荷点从8.37升至9.42.溶液初始p H值由8升至12时,对羟基苯甲酸乙酯去除率显著递减;此外,溶液离子强度的增强会导致对羟基苯甲酸乙酯去除率的下降.生物炭吸附水中对羟基苯甲酸乙酯的等温吸附过程符合Langmuir方程,其中,最大吸附容量排序为:BC700BC500BC300.同时,吸附过程符合准二级动力学方程,且为吸热自发过程.此外,经过4轮再生吸附,生物炭吸附容量仍可达到最初的90%,其中,BC700展示出最高的吸附效率(92.76%).     

水稻秸秆生物炭对磺胺类抗生素的吸附研究

研究了3种热解温度分别为300℃(S300)、450℃(S450)、600℃(S600)的水稻秸秆生物炭对两种磺胺类抗生素的吸附性能及机制,同时考察了溶液p H值及离子强度对吸附的影响。结果表明,生物炭对磺胺二甲基嘧啶(SM_2)和磺胺甲恶唑(SMX)的吸附均符合准二级动力学方程;等温吸附曲线用Langmuir方程拟合优于Freundlich方程,3种生物炭的最大吸附量随热解温度的升高而升高,且对SM_2的吸附能力优于SMX,600℃热解的秸秆炭对SM_2和SMX的最大吸附量分别可达到2 857.1 mg/kg和1 724.1 mg/kg。溶液p H显著影响吸附,SM2和SMX的吸附以中性形态为主,p H在3~11的范围内,SM_2和SMX的最佳p H分别为5和3。生物炭对2种抗生素的吸附能力随离子强度的升高而轻微下降。红外光谱分析表明,氢键结合、π-π共轭是秸秆生物炭吸附2种磺胺抗生素的主要机理。     

羊粪生物炭对水体中诺氟沙星的吸附特性

以羊粪为原料分别在350、450、550、650℃条件下制备生物炭,通过元素分析、BET-N_2、电镜扫描及FTIR表征了不同热解温度下羊粪生物炭的结构特征,并采用序批实验研究了pH、生物炭投加量、热解温度、初始浓度等因素对羊粪生物炭吸附水体中诺氟沙星(NOR)的影响及吸附机制.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的比表面积、总孔容、平均孔径增大,芳香性和稳定性也有所提高.羊粪生物炭吸附NOR的最佳初始pH为6.0,吸附在180 min左右达到平衡,采用准二级动力学模型能更好地拟合动力学数据(R~20.96),吸附速率由表面吸附和颗粒内扩散共同控制.等温吸附拟合发现,Langmuir模型能较好地描述NOR在羊粪生物炭上的吸附行为(R~20.93),吸附过程均为有利吸附,且可能与氢键和π-π键作用密切相关,4种热解温度下生物炭的吸附能力大小为:650℃550℃450℃350℃.吸附过程中ΔGθ0、ΔHθ0、ΔSθ0,表明羊粪生物炭对NOR的吸附是自发、吸热及熵增加的过程.650℃和550℃条件下制备的羊粪生物炭可作为水体中NOR的优势吸附材料.     

高锰酸钾改性桉木生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附特性

以桉木为原料,使用高锰酸钾对桉木生物炭（BC）进行改性,制备改性生物炭（KBC）.对其进行表征,并进行了水溶液中Pb （Ⅱ）的静态吸附实验,探究了溶液pH、吸附剂投加量、吸附时间、温度和初始浓度对Pb （Ⅱ）的吸附效果影响.结果表明,最佳吸附反应pH为5,吸附在6 h达到饱和,当温度为25℃,Pb （Ⅱ）的初始浓度为100mg ·L^-1,吸附剂投加量为0.06 g时,KBC对Pb （Ⅱ）的最大吸附量为83.059mg ·g^-1,去除率为99.67%.KBC对Pb （Ⅱ）的吸附遵循二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,其是发生在均匀表面的单层吸附.采用BET、SEM-EDS、XRD、FT-IR和XPS对吸附剂进行表征分析,发现吸附机制主要是KBC含氧和KBC含锰基团通过络合作用和沉淀作用来吸附Pb （Ⅱ）,以及在吸附过程中生物炭表面会形成—O—Pb—O—双齿配合物.因此,高锰酸钾改性BC可以作为一种很好的Pb （Ⅱ）吸附剂.     

硫改性牛粪生物炭对Hg2+的高效吸附及其机理

以牛粪为原料在400,500,600 ℃条件下限氧热解制备牛粪生物炭(BC),然后以不同质量比将升华硫和BC混合共热解制备硫改性牛粪生物炭(BCS)。使用元素分析仪、SEM、FTIR、XPS和BET对制得的BC和BCS进行了表征,并研究了各BC和BCS对Hg2+的吸附特性。结果表明:热解过程使BC和BCS变得粗糙多孔,Hg2+被吸附到生物炭表面和孔道内;BC和BCS的吸附过程符合准二级动力学模型,BCS对Hg2+的吸附平衡时间仅为30 min,且吸附过程不受pH影响;Langmuir模型可较好地描述BC吸附过程,吸附量随热解温度的升高而降低,BCS吸附过程符合Freundlich模型,吸附能力较BC显著提升,最大拟合吸附量达到407.81 mg/g;BCS的吸附稳定性较高,在各解吸剂中的解吸率均低于5%;BC主要吸附机理为官能团络合,BCS主要吸附机理为HgS沉淀。因此BCS是一种高效稳定的Hg2+吸附材料。     

水热法制备玉米叶基生物炭对亚甲基蓝的吸附性能研究

以农业废弃物玉米叶和玉米秆为原材料,采用水热法制备生物炭,通过批试验方法考察了接触时间、污染物初始浓度、生物炭投加量、反应体系温度及溶液p H值等因素对2种生物炭吸附亚甲基蓝的影响,并对吸附规律进行了探讨.吸附动力学拟合结果发现,准二级动力学能更好地拟合吸附过程(R~2=0.9986~0.9999);颗粒内扩散方程拟合结果表明,2种生物炭对亚甲基蓝的吸附由液膜扩散和颗粒内扩散2个过程控制.玉米叶基生物炭对亚甲基蓝的吸附可以通过Freundlich方程来进行拟合(R~2=0.9898),说明吸附在生物炭表面是多分子层吸附过程;而玉米杆基生物炭对亚甲基蓝的吸附更符合Langmuir方程(R~2=0.9825),说明吸附在生物炭表面是单分子层吸附过程.与玉米杆基生物炭相比,玉米叶基生物炭具有更好的吸附性能,拟合理论最大吸附量为玉米杆基生物炭的1.25倍.     

改性污泥基生物炭的制备及其对Cd2+的吸附特性研究

为了提高废水中Cd~(2+)的去除效率并获得高效、低成本吸附剂,以市政污泥为原料,在300℃和500℃条件下限氧热解制备生物炭(BC300和BC500)并用NaOH进行改性(NC300和NC500)。通过元素分析、扫描电镜和傅里叶红外光谱等方法对污泥基生物炭进行表征,运用吸附动力学和吸附等温线系统研究了改性前后污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附特性。结果表明:与未改性的污泥基生物炭相比,改性污泥基生物炭的极性降低,疏水性增强;碱改性炭表面具有更多的-CH_2-,C=O和C-O等官能团,有利于水体中Cd~(2+)的吸附; 4种污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附过程符合准二级动力学方程和Freundlich等温吸附模型,NC300和NC500对于Cd~(2+)的最大平衡吸附量较改性前分别提高了2倍和1.1倍。     

蚯蚓粪便生物炭对水体中雌二醇的吸附

为寻求高效、廉价的E2(雌二醇激素)吸附剂及开拓蚯蚓粪便的资源化利用途径,将蚯蚓粪便在300、500和700 ℃下热解碳化制备生物炭(分别记为BC300、BC500和BC700),对所得生物炭的基本理化性质(包括物质组成、表面官能团、孔隙结构等)进行分析,并将其用于吸附水体中E2,考察生物炭投加量、溶液pH、反应时间及初始ρ(E2)对生物炭吸附性能的影响,并探讨了吸附机理.结果表明:随热解温度的升高,生物炭的H/C(原子比)由0.13降至0.03,O/C(原子比)由0.46降至0.02,芳香性增强,极性降低,逐渐由脂肪炭结构过渡到芳香炭结构;生物炭比表面积由24.33 m2/g增至76.29 m2/g,总孔体积由0.09 cm3/g增至0.19 cm3/g.不同热解温度下制备的生物炭对E2的吸附过程均符合准二级动力学方程,拟合系数大于0.991;Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能较好地描述蚯蚓粪便生物炭对E2的吸附过程,Langmuir理论最大吸附量表现为BC700(7.66 mg/g)>BC500(5.23 mg/g)>BC300(3.32 mg/g).随热解温度的升高,O/C和H/C降低,说明碳化程度增强,生物炭吸附E2的分配作用减弱而表面吸附作用增强.研究显示,蚯蚓粪便生物炭对E2的吸附效果随比表面积和孔体积的增加而增强.      

中药渣生物炭对磺胺甲基嘧啶的吸附及机理研究

以传统中药-黄芪废渣为原料,分别在200℃、400℃、500℃、600℃和700℃的厌氧氛围下热解制备生物炭材料（BC200、BC400、BC500、BC600和BC700）,并利用BET比表面积分析、FTIR光谱分析、扫描电子显微镜等方法对其进行表征,同时考察不同投加量、吸附时间、初始浓度和pH值下生物炭对磺胺甲基嘧啶的吸附特征.结果表明,随制备温度的升高,生物炭的表面积及吸附性能也显著增加.相比原状黄芪渣（S_BET=0.42m²/g）,BC700的BET比表面积（S_BET=155.69m²/g）增大370倍,对磺胺甲基嘧啶的吸附容量增加185倍.BC700对磺胺甲基嘧啶的等温吸附过程符合Langmuir模型（R²=0.9977）,最大吸附容量为11.96mg/g,吸附反应过程满足准二级动力学方程（R²>0.994）,且为化学吸附.同时随着溶液初始pH值和投加量的升高,生物炭的吸附容量先增大后减小,最佳吸附pH值为4.     

改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附

700℃热解温度下制备大豆秸秆生物炭,并利用酸、碱、氨基修饰和铁磁化4种方法对其进行改性,比较4种改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附性能及机制,同时考察溶液pH值、温度和添加量对吸附效果的影响,并探讨了改性大豆秸秆生物炭在提高土壤对咪唑乙烟酸吸附固定能力中的应用效果.结果表明,在pH值为2~4的酸性环境中,改性大豆秸秆生物炭吸附效果更好;相对于其他3种方法,铁磁化改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸具有更好的吸附性能,吸附符合准一级动力学模型和Langmuir模型,且Langmuir模型拟合结果表明其对咪唑乙烟酸的最大吸附量可达338.785mg/g;添加1%铁磁性改性大豆秸秆生物炭的土壤对咪唑乙烟酸吸附量提高为对照组的2.37倍.     

改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附

700℃热解温度下制备大豆秸秆生物炭,并利用酸、碱、氨基修饰和铁磁化4种方法对其进行改性,比较4种改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附性能及机制,同时考察溶液pH值、温度和添加量对吸附效果的影响,并探讨了改性大豆秸秆生物炭在提高土壤对咪唑乙烟酸吸附固定能力中的应用效果.结果表明,在pH值为2~4的酸性环境中,改性大豆秸秆生物炭吸附效果更好;相对于其他3种方法,铁磁化改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸具有更好的吸附性能,吸附符合准一级动力学模型和Langmuir模型,且Langmuir模型拟合结果表明其对咪唑乙烟酸的最大吸附量可达338.785mg/g;添加1%铁磁性改性大豆秸秆生物炭的土壤对咪唑乙烟酸吸附量提高为对照组的2.37倍.     

杨木生物炭对水溶液中3种磺胺类抗生素的混合吸附

利用杨树木屑在限氧条件下,制备出3种不同热解温度下的生物炭,以探究其对水溶液混合磺胺类药物（SAs）的吸附机制。结果表明:350 ℃烧制的生物炭（BC350）孔径以大孔为主,而500 ℃（BC500）与650℃（BC650）以介孔为主;生物炭表面芳香性随着热解温度提高而增强。伪二级模型较适合描述生物炭吸附SAs的动力学过程;Freundlich等温模型对杨木生物炭拟合度较好;杨木生物炭具有较大的SAs吸附容量,BC650的SAs吸附容量为秸秆类生物炭的2.6~104倍。吸附热力学计算表明,杨木生物炭对磺胺吸附兼有物理吸附与化学吸附,以化学吸附为主。根据不同pH值条件下3种SAs的分子形态,得出3种SAs的竞争吸附能力依次为SPD>SMZ>SDZ。     

生物炭的制备及其镁改性对污染物的吸附行为研究

以小麦和玉米秸秆为原料,于不同温度下制备了生物炭样品,并采用氯化镁(MgCl_2)、乙酸镁(Mg(CH_3COO)_2)和硝酸镁(Mg(NO_3)_2)对秸秆及其生物炭进行改性.通过分析各生物炭产率、pH、元素分析、比表面积、CEC、XRD及FT-IR,探究了生物炭理化性质的变化规律.各样品对氨氮、Pb(Ⅱ)及乙草胺的吸附试验结果表明:小麦秸秆经Mg(CH_3COO)_2改性后得到的生物炭的饱和吸附量最大;对3种吸附质的吸附过程均符合准二级吸附动力学方程;低浓度下吸附过程均可自发进行,对氨氮的吸附符合Langmuir模型且以离子交换作用为主,对Pb(Ⅱ)的吸附符合Freundlich模型且以离子交换作用为主,对乙草胺的吸附符合Langmuir模型且以分配、氢键和π-π电子受体供体作用为主.     

芦苇秸秆生物炭对水中菲和1,1-二氯乙烯的吸附特性

在500℃热解温度下自制芦苇秸秆生物炭吸附剂,研究生物炭对水中两种典型有机污染物菲(PHE)和1,1-二氯乙烯(1,1-DCE)的吸附特性,探讨其吸附机制,并考察溶液p H和生物炭投加量对吸附效果的影响.结果表明,生物炭对PHE和1,1-DCE的吸附分别在60 min和480 min时达到平衡,最大去除率分别为81.87%和90.18%,两者的吸附动力学规律均符合准二级动力学方程,其中PHE的二级动力学吸附速率大于1,1-DCE,两者的吸附过程均由膜扩散和颗粒内扩散共同控制,且后者是主要限速步骤;两种有机污染物的等温吸附曲线均可用Freundlich方程描述,且生物炭对1,1-DCE的吸附亲和力强于PHE;PHE和1,1-DCE在生物炭上的吸附机制包括表面吸附作用和分配作用,且以表面吸附作用为主,其中1,1-DCE的表面吸附作用大于PHE,而其分配作用小于PHE,说明污染物性质中分子体积和相对极性是影响总体吸附的主要因素;红外图谱显示,含氧、含氢官能团及π—π相互作用对生物炭吸附两种有机污染物有重要贡献;溶液p H对生物炭吸附PHE和1,1-DCE的影响较小,而生物炭投加量从5增至50 mg时,PHE和1,1-DCE的平衡吸附量分别减少6.78倍和2.18倍,去除率分别提高20.21%和15.78%.