镁改性生物炭制备条件对其氮、磷去除性能的影响

以林木废弃物为原料,通过干式热解和湿式热解,制备镁改性生物炭,并探索其对污水中氮、磷的同步去除性能。研究表明:干式混合热解和湿式浸渍热解制备的生物炭吸附效果无显著差异;MgCl_2浸渍制备改性是生物炭制备的适宜方法,浸渍浓度、热解温度、热解速度及生物炭粒径均会对吸附效果有影响;最优条件下,镁改性生物炭对氮和磷的吸附量分别为35.28,110.29 mg/g。除了吸附作用,镁改性生物炭表面形成了鸟粪石沉淀(MgNH_4PO_4·6H_2O),可作为一种缓释型炭基氮磷复合肥。     

不同制备温度下污泥生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附特性

以城市剩余污泥为原料,于300,400,500,600 ℃温度条件下制备生物炭,通过单因素静态吸附实验探讨制备温度对生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影响。结果表明:在500 ℃以内随着温度上升制备的生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附量增加,制备温度高于500 ℃后变化不明显;扫描电镜（SEM）、比表面积（BET）、傅里叶红外光谱（FTIR）表征结果显示,热解温度对生物炭表面形貌和官能团组成有显著影响;等温模型及动力学拟合结果表明,生物炭吸附Cr（Ⅵ）为单分子层吸附、物理-化学复合吸附。热解温度对污泥制备生物炭吸附Cr（Ⅵ）的性能有显著影响,最佳制备温度为500 ℃,在此条件制备的生物炭对Cr（Ⅵ）的理论吸附量可达7.93 mg/g。     

酸碱改性对生物炭吸附Cr(Ⅵ)性能的影响

生物炭因具有原料来源广泛、表面活性官能团含量丰富、性质稳定等特点,近年来,在环保领域作为重金属处理吸附剂受到越来越多的重视。使用松木屑在碳化温度为400 ℃条件下制备生物炭(简称AB400),并使用HNO₃、H₃PO₄、NH₃·H₂O、Ca(OH)₂对生物炭进行改性。借助SEM、FTIR、BET、Boehm滴定法和Zeta电位测定等方法对改性前后AB400表征,并进行Cr(Ⅵ)吸附实验。改性后生物炭结构呈半穿透至穿透状圆形塌陷,存在微孔。酸性改性条件下,HNO₃改性生物炭(简称AB400HNO₃)、H₃PO₄改性生物炭(简称AB400H₃PO₄)中酸性官能团含量均有所升高,且生物炭pH均减小,其对应pH_pzc增大,而碱改性的生物炭则反之。对于Cr(Ⅵ)的吸附,酸性改性生物炭在整体上的吸附效果优于碱性改性生物炭,其中AB400H₃PO₄吸附效果最佳,吸附容量从58.48 mg/g提高至101.82 mg/g。这是因为碱性改性生物炭表面为负电荷,与Cr(Ⅵ)的含氧阴离子相斥;而AB400HNO₃微孔容积较小,圆形塌陷数量甚微,表面虽正电荷,但吸附性能不及AB400H₃PO₄。     

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.     

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.      

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.     

两种生物炭的制备及其对水溶液中四环素去除的影响因素

以中药材三桠苦药渣和玉米秸秆为原料,分别在400、600和800℃下热解制备生物炭,并研究其对水溶液中四环素的去除及其影响因素。利用元素分析、傅里叶红外光谱(FT-IR)、比表面积分析(BET)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对制备的生物炭进行表征;并探究热解温度、生物炭添加量、初始溶液浓度、吸附时间、溶液pH、离子强度、环境温度等因素对生物炭去除水溶液中四环素的影响;通过吸附动力学和等温吸附平衡探究两种原料制备的生物炭对溶液中四环素的吸附行为。结果表明,生物炭对四环素的吸附性能随制备温度的升高而增加,800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)具有最佳吸附性能。生物炭添加量、溶液pH、离子强度、吸附时间对800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)和玉米秸秆生物炭(CSBC800)吸附水溶液中四环素影响较大,吸附时环境温度对吸附的影响大小依赖于抗生素质量浓度。EIBC800和CSBC800对四环素的吸附行为均符合准二级动力学方程(R2分别为0.9540和0.8355),等温吸附符合Freundlich方程(R2分别在0.8991~0.9580和0.9736~0.9980之间),主要吸附过程为化学吸附,且吸附过程均是自发吸热的过程。通过以两种原料所制备的生物炭吸附性能对比,EIBC800吸附抗生素的能力比CSBC800更强,说明中药渣在制备生物炭去除水环境中的抗生素具有较好的应用前景。     

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.     

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.     

花生壳生物炭的制备、表征及其吸附性能

选择花生壳作为原材料,采用限氧升温炭化法在200、450、700℃温度下制备生物炭,在对其元素组成和表面性质进行分析的基础上,重点考察生物炭对邻苯二甲酸酯的吸附性能。结果表明,花生壳生物炭的元素含量由高到低为COHN,热解温度的升高使碳元素含量显著增高,芳香性增强且极性减弱;花生壳生物炭的比表面积、总孔面积、微孔面积和微孔孔容均随热解温度的升高而增加,平均孔隙宽度随之减小;花生壳生物炭含有丰富的表面官能团,热解温度升高使羟基数量大幅减少,烃基逐渐消失,芳香化程度增强;花生壳生物炭对DEP、DBP的吸附符合Freundlich方程,吸附能力随热解温度的升高而增强,高温生物炭的吸附过程呈现明显的非线性特征。     

植物根际分泌有机酸对生物炭吸附Pb (Ⅱ)的影响

本研究采用室内模拟实验的方法,考察了生物炭（热解温度200,300,400,500℃）对Pb（Ⅱ）的吸附行为,并以草酸和柠檬酸为代表,探讨有机酸对生物炭吸附Pb（Ⅱ）的影响.结果表明：Langmuir模型较Freundlich模型更适合于对两类生物炭（花生壳生物炭、松木生物炭）吸附Pb（Ⅱ）的数据进行拟合,200℃制备的花生壳生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附容量最大;生物炭吸附Pb（Ⅱ）的过程为自发过程,且花生壳生物炭强于松木生物炭,低温生物炭强于高温生物炭;柠檬酸浓度为2.60×10^-2mmol/L及草酸浓度为7.65×10^-2mmol/L以下时,其在生物炭表面的吸附为Pb（Ⅱ）提供了更多的吸附位点,从而促进了Pb（Ⅱ）吸附;有机酸浓度增大以后,占据生物炭的内部孔隙,竞争重金属吸附位点,从而抑制了Pb（Ⅱ）在生物炭上的吸附.本研究将为系统认识生物炭的环境效应提供重要的基础信息,有助于全面评估有机酸影响下生物炭在环境修复中的功能.     

针铁矿改性生物炭的制备及对Cr (Ⅵ)的吸附性能研究

在不同热解温度及原料配比条件下,采用水解共沉淀方法制备针铁矿改性生物炭材料（GMB）,借助SEM-EDS、XRD、FTIR、XPS进行表征,并进行Cr （Ⅵ）吸附实验,探究吸附性能和机理。结果表明:1）经改性后生物炭表面生成了羟基氧化铁（FeOOH）,吸附能力有大幅提升;2）热解温度为600℃,生物炭与Fe （NO₃）₃·9H₂O的质量比为1:12时制备的GMB600-12表现出最佳吸附性能,最大吸附容量为20.67 mg/g;3）准二级动力学揭示Cr （Ⅵ）的吸附以化学吸附为主,Langmuir和Freundlich模型都能很好地描述GMB对Cr （Ⅵ）的吸附特征;4） XPS的结果进一步表明GMB去除水溶液中Cr （Ⅵ）是氧化还原和表面吸附协同作用的结果。     

热解温度对污泥基生物炭结构特性及对重金属吸附性能的影响

鉴于污泥基生物炭作为重金属吸附剂的研究还缺乏足够的数据,为探讨不同热解温度对生物炭结构性质及其对水体重金属吸附能力的影响,在缺氧条件下于300~900℃范围内以城市污泥为原料制备生物炭,利用元素分析、比表面积测定、电位测定和红外光谱分析等方法对生物炭的理化性质和结构特征进行表征,并选用900℃生物炭进行了吸附重金属Pb、Cr和Cd的试验研究.结果表明:① 300~900℃缺氧条件下制备的生物炭产率为44.39%~69.41%,污泥呈弱酸性（pH为6.35）,热解后的生物炭呈碱性（pH为7.7~10.58）.② 900℃生物炭中w（H）、w（N）大幅降低,分别比干污泥中减少89.50%和77.16%,而w（C）降低29.22%,固碳作用显著.热解后生物炭比表面积明显增大,700和900℃生物炭比表面积分别达到58.48和87.55 m2/g,最佳制备温度为700~900℃.③ 热解后的生物炭具有大量极性基团,热解温度越高,酸性基团越少,碱性基团含量增多.④ 热解作用使生物炭zeta电位升高,吸附能力增强.⑤ 900℃生物炭吸附Pb、Cr和Cd的最佳pH为7~8,对Pb、Cr和Cd的最大吸附量分别为2.38、2.48和1.16 mg/g.⑥ 各因素对生物炭吸附重金属的影响顺序,对于Pb和Cr表现为生物炭投加量>热解温度;对于Cd,表现为生物炭投加量>pH.研究显示,污泥基生物炭对Pb、Cr的吸附能力高于Cd,影响生物炭吸附行为的主导因子为生物炭投加量,影响Pb和Cr吸附的次要因子为生物炭热解温度,而影响Cd的次要因子为pH.生物炭吸附重金属的主要机理是离子交换吸附、络合反应、表面沉淀和竞争性抑制作用.      

荷梗生物炭理化性质及其对水中Cd的吸附机制

为探究HBC（荷梗生物炭）的基本理化性质及其对水中Cd2+的吸附机制,以荷梗为原料,在300~700℃热解温度下制得HBC,通过灰分分析、元素分析、SEM（扫描电镜）分析及FTIR（傅里叶红外光谱）分析初步探明HBC的基本理化性质并确定其最优热解温度,同时利用经典的吸附动力学模型和等温吸附模型对HBC吸附水中Cd2+的内在机制进行分析.结果表明:HBC的最优热解温度为400℃,灰分物质显著影响了HBC的pH,进而对其吸附性能产生影响.SEM分析结果显示,HBC具有发达的多孔结构,其中400℃下制备的HBC（记为HBC-400）多孔结构最优.元素分析结果显示,HBC中φ（C）逐渐升高而H/C[φ（H）/φ（C））]、O/C[φ（O）/φ（C）]下降,表明随热解温度升高HBC逐渐失水且炭化程度逐渐增强.FTIR分析表明,HBC表面存在大量羟基、羧基和羰基等含氧官能团,随热解温度升高,HBC芳构化程度增强而表面官能团丰度降低.试验条件下,HBC对Cd2+的平衡吸附量已达39.239 mg/g,吸附平衡时间为600 min.通过对吸附动力学及等温吸附模型拟合结果分析可知,水中Cd2+在HBC上的吸附是发生在多相异构表面的多分子层混合吸附.综合考虑HBC的理化性质及模型拟合结果可以推测Cd2+在HBC上的吸附可分为3个过程:① Cd2+在浓度梯度力作用下由溶液迅速扩散到HBC表面.② Cd2+与HBC表面官能团发生络合、离子交换反应,与金属氧化物、碳酸盐等发生共沉淀反应.③ Cd2+扩散到HBC的多孔结构中,与苯环上普遍存在的π电子结构发生阳离子-π作用.研究显示,HBC具有碱性、发达的多孔结构、丰富的表面官能团和高稳定性等优良性质,HBC对水中Cd2+的吸附是在其多孔介质表面进行的化学主导吸附过程,因此,可为生物炭类环境功能材料的研制提供选材依据.      

水葫芦/污泥共热解法制备生物炭粒及其对Cr3+的吸附特性

为了促进水葫芦和污泥的资源化利用,探究水葫芦/污泥生物炭粒的基本理化性质及其对水中Cr3+的吸附机制,以水葫芦、污泥为原料,在300~500℃热解温度下制得生物炭粒,通过产率分析、灰分分析、比表面积和孔径分析及SEM（扫描电镜）分析,同时利用吸附动力学模型和等温吸附模型对生物炭粒吸附水中Cr3+的内在机制进行研究,最后采用TCLP（毒性浸出法）测定了不同生物炭粒中重金属的浸出毒性.结果表明:随着热解温度从300℃升至500℃,生物炭粒的产率从14.93%降至11.75%,生物炭粒的灰分含量逐渐升高,比表面积增大.SEM结果显示,水葫芦与污泥质量比为1:10时,生物炭粒比表面积较大,孔隙结构明显.当水葫芦与污泥质量比为1:10、热解温度为500℃时生物炭粒对Cr3+的吸附量最大,为44.96 mg/g.热力学分析显示,生物炭粒对溶液中Cr3+的吸附以化学吸附为主,且为单层吸附.TCLP试验表明,水葫芦/污泥生物炭粒中各重金属（Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、Cr）的浸出浓度均低于GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的限值.研究显示,添加水葫芦能改善生物炭粒的理化性质,使得生物炭粒对Cr3+的吸附量增大,以化学吸附为主,且为单层吸附,水葫芦/污泥生物炭粒浸出毒性较低,可为生物炭类环境功能材料的研制提供选材依据.      

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。     

基于光谱色谱分析热解温度对沼渣生物炭DOM组成特性的影响

为探究沼渣基生物炭溶解性有机质（DOM）的组成特性,以厌氧发酵沼渣为原料,在300、400、500、600和700℃热解温度下制备了生物炭,利用紫外-可见光谱、三维荧光光谱以及反相高效液相色谱等手段,研究了生物炭中DOM的组成特性.结果表明:热解温度影响生物炭DOM的组成,随着热解温度的升高,生物炭DOM中溶解性有机碳含量出现大幅降低,由300℃时的33.2 mg/g降至700℃时的0.7 mg/g.生物炭DOM的芳香性和分子量呈先增后减的变化趋势,400℃时其芳香性和分子量最大;在300~500℃热解范围内,生物炭DOM主要与类腐殖质有关,在600~700℃热解温度范围内,生物炭DOM主要是类色氨酸物质;液相色谱分析显示,在254 nm波长处洗脱出4种芳香物质,280 nm波长处洗脱出5种醌基物质,其中4种醌基结构物质赋存在芳香结构中.研究显示,沼渣生物炭DOM的组成与热解温度密切相关,不同的热解温度会影响DOM的芳香性、分子特性、腐殖化程度、亲水性及极性等特征,光谱和色谱分析法可有效表征DOM的不同结构性质.      

牛粪生物炭对磷的吸附特性及其影响因素研究

以牛粪生物炭为吸附剂,采用平衡吸附法研究了牛粪生物炭对磷的吸附特征.研究了pH值、共存离子、反应温度、投加量、热解温度等对牛粪生物炭吸附磷的影响.结果表明,牛粪生物炭吸附磷的最佳初始pH值为7.0;共存离子的存在对生物炭吸附磷的影响有限;反应温度升高不利于磷的吸附;当投加量为0.1g时,对磷的去除率较为理想;热解温度升高不利于对磷的吸附.通过对实验数据进行动力学、吸附等温线及热力学分析,发现牛粪生物炭对磷的吸附动力学数据符合拟二级吸附动力学方程,Langmuir-Freundlich(R2=0.9705)和Temkin(R2=0.9556)方程能很好地描述磷在牛粪生物炭上的吸附行为.热力学分析结果显示25,35,45℃下的吉布斯自由能变化(ΔG0)分别为-17.43,-15.98,-15.89kJ/mol,表明牛粪生物炭对磷的吸附是自发的过程.     

生物炭对水中五氯酚的吸附性能研究

利用小麦秸秆和花生壳在300,400,600℃条件下制备生物炭,运用元素分析仪、扫描电镜和比表面积仪对生物炭的理化性质进行表征,同时探讨其对水中五氯酚(PCP)的吸附特性.结果表明,随炭化温度升高,生物炭芳香性增加,极性降低.花生壳生物炭对水中PCP的吸附效果优于小麦秸秆生物炭,3种温度制备的生物炭对PCP吸附量表现为400℃>600℃>300℃.随着生物炭添加量增大,水中PCP去除能力由81.79%提高至89.02%,生物炭的吸附量由30.32减小至5.54mg/g.生物炭对PCP的吸附动力学更符合准二级动力学方程,吸附等温线符合Freundlich方程.吸附过程主要受快速反应控制,降低反应温度有利于生物炭对水中PCP的吸附.