热解条件对茶叶渣生物炭特性及镉污染土壤钝化效果的影响

以泡饮过的废弃茶叶为实验原料,通过不同热解温度(300、400、500和600℃)和热解时间(1 h和2 h)制备生物炭,探讨不同热解条件对茶叶渣生物炭(TSBC)的特性及其对镉(Cd)污染土壤钝化效果的影响。结果表明:热解温度的升高可明显增加TSBC的p H和比表面积,降低生物炭的产率、电导率和表面官能团的数量,使TSBC具有弱碱性、较大比表面积和较强的稳定性,对改良酸性土壤和吸附重金属存在一定潜力;而热解时间对其特性没有明显差异,与对照组相比,添加TSBC明显增加了Cd污染土壤的p H、有机碳(SOC)和可溶性有机碳(DOC)含量,但随着制备温度的升高,Cd污染土壤中SOC和DOC增加幅度逐渐降低。添加TSBC显著降低Cd污染土壤中可交换态镉的比例,当热解温度为500~600℃时降幅最显著,其下降比例与对照相比最高可达25.56%;残渣态镉比对照增加了0.88~1.18倍。因此,TSBC对镉污染土壤有较好的钝化效果,这为重金属污染土壤的修复和生活废弃物的资源化利用提供了理论依据。     

不同原料和炭化温度下制备的生物炭结构及性质

以麦秆、稻杆和松木屑3种生物质为原料,在控制热分解条件下制备生物炭利用TG/DTG、Boehm滴定、FTIR、XRD、TEM和吸附实验等方法对不同原料在350、550和750℃3个炭化温度下制备的生物炭形貌及其表面化学性质进行了表征。结果表明:最大热解速率所对应温度以松木屑为最高,表示热稳定性最好;不同原料在相同炭化温度下所制得的生物炭所含表面含氧官能团种类和总量相近,但pH值和吸附能力差别较大,其中麦秆制得的生物炭pH值最大,松木屑制得的生物炭吸附能力最强;随着炭化温度升高,相同原料制得生物炭表面含氧官能团总量减少,pH值升高,纤维素和半纤维素特征峰消失,芳构化程度增加,吸附性能总体呈先上升后下降的趋势。     

柚子皮制备生物炭吸附苯酚的特性和动力学

廉价的柚子皮作为原材料制备生物炭吸附剂对含苯酚废水进行吸附研究。扫描电镜结果表明,柚子皮制备的生物炭具有较好表面吸附空间结构,比表面积测定为261.69 m2/g。此外,能谱对柚子皮生物炭元素分析发现,生物炭主要含有C、O、P、K,这些是生物质特点。红外对柚子皮生物炭分析发现生物炭含有羟基、氨基、羰基、羧基、磷酸酯或者硫酸酯等活性基团,这些是吸附苯酚的特性官能团。在初始浓度为100 mg/L,投加量为3 g/L,中性pH,30℃条件下吸附30 min后柚子皮生物炭对苯酚的去除率达到76.4%。伪二级动力学方程能很好地拟合柚子皮生物炭对苯酚的吸附过程。同时,Langmiur和Freundlich等温方程在整个温度都能较好地拟合数据,在30℃时,Langmuir理论最大吸附容量可达到49.75 mg/g。通过实际废水应用实验,表明柚子皮生物炭是一种有潜力可用于高浓度含酚废水的处理的有效材料。     

热解温度对污泥生物炭的表面特性及重金属安全性的影响

以一套中试干燥热解一体化处理设备,采用热解工艺,在300~600℃范围内对污水处理厂产生的剩余污泥进行了批处理,得到了系列污泥生物炭产品,并对其表面电荷、FT-IR图谱等进行了测试,对污泥及生物炭的重金属总量和DTPA可提取态进行了比较分析。研究表明,热解温度会影响生物炭表面电荷分布,而且在400℃时表面电荷分布最均匀。经热解反应后,污泥中的重金属总量虽然得到了一定程度的富集,但Pb,Zn,Cu,Fe和Mn 5种重金属的DTPA-可提取态的含量大幅度降低,因此,污泥生物炭中的重金属被惰性化,降低了环境风险。     

超积累植物东南景天热解过程中Cd的迁移转化规律及炭产物安全利用研究

在管式炉对Cd超积累植物东南景天(Sedum alfredii)进行热解,研究热解过程中Cd的迁移和形态转化,并在最佳温度条件下探究制备的东南景天生物炭对Cd的吸附作用。结果表明,随着温度上升,生物炭产率下降,挥发分增加;温度能影响Cd在气、液、固三相中的分布,温度升高能明显促进重金属由固相向气相迁移;生物炭中Cd形态受温度影响,随温度升高,对环境影响较大的水溶态和酸溶态Cd含量呈现出降低趋势,在700℃以上时,大部分Cd是以稳定的可氧化态、可还原态以及残渣态形式存在;800℃热解得到的东南景天生物炭对Cd具有一定的吸附效果,最高吸附量达到28.7mg/g。通过合理控制热解温度能够实现炭产物的稳定化,并可安全利用到重金属污染水体或者农田污染治理中。     

生物炭固定化解磷菌对Pb2+的吸附特性

以小麦秸秆和活性污泥为原料,在3种温度下热解制备生物炭,使用傅立叶红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)对其结构和性能进行表征,探究了以不同生物炭为载体,以解磷菌为固定化菌株制备的固定化微生物对Pb~(2+)的吸附能力,同时研究了吸附时间和热解温度对固定化微生物吸附Pb~(2+)的影响。结果表明:小麦秸秆生物炭较活性污泥生物炭的表面官能团更为丰富,且小麦秸秆生物炭的芳香化程度随热解温度升高而增加;随着热解温度的升高,小麦秸秆生物炭的微孔逐渐发展,孔壁变薄,孔隙结构更为发达;以700℃热解的小麦秸秆生物炭为载体制备的固定化微生物(IBWS700)对Pb~(2+)的吸附量最高,对Pb~(2+)的吸附量可达89.39mg/g;IBWS700对Pb~(2+)的吸附动力学符合准二级动力学方程;IBWS700对Pb~(2+)的吸附可以用Langmuir模型较好地拟合。     

不同热解温度下污泥基生物炭的性质及对Cd~(2+)的吸附特性

以市政污泥为原料,在300、500和700℃无氧气氛下热解制备污泥基生物炭,探讨不同热解温度对污泥基生物炭性质的影响,研究污泥基生物炭对水溶液中重金属Cd~(2+)的吸附特性。结果表明,随着热解温度升高,污泥基生物炭的产率降低,pH值增大,碳、氢、氧和氮含量降低,芳香化程度增强,亲水性和极性降低,稳定性增强;随热解温度的升高,比表面积不断增大,生物炭表面变得粗糙并且出现明显的孔隙,但平均孔径呈现先增大后减小。在700℃下制备的污泥基生物炭对水溶液中Cd~(2+)的吸附效果优于其他制备温度下获得的生物炭,温度为298.15 K时,最大吸附容量为27.47 mg·g~(-1)。污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附动力学符合准二级动力学方程模型,吸附速率主要由化学吸附控制。污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附表现为快速吸附过程,生物炭前10 min的吸附量超过饱和吸附量的80%。Langmuir吸附等温模型能很好的描述污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附行为,吸附容量随热解温度升高而增大。     

热解条件对硫酸钙/污泥基生物炭中Pb、Ni形态分布及生态风险的影响

以污泥为原料,硫酸钙为添加剂,采用热解法制备了硫酸钙/污泥基生物炭,考察了硫酸钙添加量、热解温度、升温速率及保温时间对生物炭中Pb、Ni形态分布的影响,并利用生态风险评价指数(RAC)对优化热解条件下制备的硫酸钙/污泥基生物炭中的Pb、Ni进行了生态风险评价。结果显示,优化热解条件为:硫酸钙添加量2.5%(质量分数)、热解温度750℃、升温速率2℃/min、保温时间15min。该优化热解条件下制备的硫酸钙/污泥基生物炭中的重金属Pb、Ni的生态风险分别为无风险、低风险,相对于污泥(低风险、中等风险)明显降低。     

热解温度和时间对生物干化污泥生物炭性质的影响

污泥热解制备生物炭是一种很有潜力的污泥资源化处置方式,然而,生物炭产量和品质因污泥原料性质、热解条件(如热解温度、时间)的不同而存在显著差异。以生物干化污泥为主要研究对象,系统考察了热解温度及时间等热解因素对生物炭品质的影响。实验结果表明,随着热解温度的升高(300～700℃),热解时间的增加(2～4 h),生物炭产率均下降。低温热解(300℃)生物炭,偏酸性,而高温热解时(700℃)生物炭,偏碱性。生物炭N含量随着热解温度的升高、热解时间的增加而降低,而P、K及微量元素随着热解温度的升高,热解时间的增加而增加。DTPA浸提结果表明,高温热解明显降低了生物炭中微量元素的生物有效性。     

不同温度下制备花生壳生物炭的结构性质差异

热解温度是影响生物炭结构性质的重要因素。在200~700℃温度范围内,以花生壳为生物质原材料制备生物炭,并对生物炭的理化性质及结构组成进行表征,以期了解花生壳生物炭特征及其随热解温度变化的规律。结果表明,生物炭的产率随着温度的升高而减少,灰分和pH随着温度升高而增加。生物炭的C含量随着温度升高而增加,H元素含量却随着温度升高而减少。H/C随着温度的增加而减少。红外光谱分析表明,随着温度的升高生物炭的烷基基团减少,芳香化程度逐渐升高。500℃制备生物炭的K_2Cr_2O_7和KMnO_4氧化碳损失量最低,分别为18.6%和1.70%。X射线衍射分析表明,随着温度的升高,生物炭中草酸钙矿物分解消失,碳酸钙矿物形成。     

热解工艺对污泥制备生物炭物理结构的影响

热解污泥制备生物炭是一种污泥资源化利用的主要处置方式,不同的反应条件对制得生物炭的品质存在显著的差异。以乙酸钾为添加剂,对城市脱水污泥(含水率80%)进行低温热解制备生物炭,考察了乙酸钾添加量、热解温度、热解停留时间及升温速率对生物炭性质的影响。通过N2吸附脱附、SEM、FT-IR等手段对原料污泥及生物炭进行了表征,实验结果表明,乙酸钾具有一定的扩孔作用,生物炭表面粗糙度明显增加,比表面积增大,吸附性能显著提高。当乙酸钾添加量4%,热解温度350℃,热解停留时间120 min,升温速率3℃·min~(-1)时生物炭的亚甲基蓝吸附量和比表面积分别为90.45 mg·g~(-1)、31.402 m2·g~(-1)。     

土壤重金属钝化材料生物炭的研究进展

原位钝化法作为一种快速有效的土壤重金属污染治理方法得到了广泛的应用。生物炭是由生物质在缺氧环境下热解而成的一种含碳材料,具有精细的孔隙结构、较大的比表面积和丰富的表面官能团,能够有效地钝化土壤中的重金属,降低其生物有效性,是一种应用前景广阔的钝化材料。综述了影响生物炭对土壤重金属钝化效果的主要因素、钝化机制以及生物炭的改性方法。寻找钝化持效性好的生物炭材料,深化研究生物炭与不同形态重金属的作用机制,有利于更好地将生物炭钝化材料应用于重金属污染土壤的修复。     

枇杷籽生物炭制备、表征及其微生物吸附性能研究

炭化温度是影响生物炭结构的重要因素，以废弃的枇杷籽作为生物质原材料，在400～800℃炭化温度内制备生物炭，对其理化性质进行表征，并研究生物炭对微生物菌群的吸附率。结果表明：随着炭化温度的上升，枇杷籽生物炭的产率下降，含氧官能团减少，芳香性结构更完全；在400～600℃炭化温度下，孔道变化明显，表面更粗糙，比表面积和总孔体积增大，中、微孔数量增多；当炭化温度升高到600℃以上，生物炭表面孔状结构发生坍塌，表面变平整，比表面积和总孔体积减小；炭化温度为600℃下制得的枇杷籽生物炭对大肠杆菌发酵液的吸附率为70%左右，对大肠杆菌悬浮液的吸附率为80%以上，枇杷籽生物炭对微生物菌群的吸附效果良好，经过后续优化有作为微生物载体的潜力。枇杷籽具有开发为生物炭并进行进一步应用的潜在价值。     

餐厨垃圾分选有机废物热解动力学特性分析

针对餐厨垃圾生物处理过程中产生的有机废物,为了实现餐厨垃圾的资源化利用,使用热重分析仪对其典型组分:塑料、骨头及难降解生物质,进行了单独及混合热重(TG)特性研究。结果表明:难降解生物质(BRB)、骨头等生物质类物质失重温度较低,最大失重率温度分别为325和341℃,塑料的失重温度较高,最大失重率温度在475℃;通过对混合物料的热重曲线和动力学分析,在较低温度(400℃),塑料和骨头对热解过程有一定的抑制作用,而在高温(400℃)状态下,二者在热解过程中有协同作用;含有3种组分的实际物料在166~361℃条件下热解过程符合二维相界反应(函数为2(1-α)1/2);而在361~550℃热解符合三级动力学反应(函数为(1-α)3),在整个温度阶段(166~550℃)中的实际活化能低于模拟活化能(59.6986.57 k J·mol-1),表明3种物料混合热解有协同作用。     

新制备生物炭的特性表征及其对石油烃污染土壤的吸附效果

生物炭作为一种绿色环保的功能材料因其在污水处理和污染土壤修复方面具有显著效果而受到极大关注.采用红外光谱、元素分析仪及微孔分析对不同温度(200、300、400、500和600℃)条件下制备的木屑和麦秆生物炭进行特性表征,并采用制备的生物炭净化石油污染土壤,分别考察了污染物性质、生物质原料和热解温度对其净化效果的影响.结果表明,随着热解温度的增高,生物炭芳香化程度增加,极性降低,微孔结构逐渐发育,表面积增大.加入生物炭33 d后,污染土壤中总石油烃及其组分烷烃的浓度比对照略有降低,而PAHs浓度下降显著.随着热解温度升高,2种生物炭对PAHs的吸附强度均逐渐增大,芳香度增高、表面积增大是强吸附的主要原因.2种生物炭在400℃及以下温度制备时对PAHs的吸附强度为:木屑生物炭＞麦秆生物炭;而400℃以上温度制备的生物炭吸附强度则相反,即麦秆生物炭＞木屑生物炭,说明生物炭原料对其吸附强度也具有显著影响.     

污泥中抗生素热解特性及动力学分析

通过分析污泥中3种典型抗生素环丙沙星(CIP)、土霉素(OTC)和磺胺二甲嘧啶(SM2)的热解过程与失重特性,研究其热解动力学特征。结果表明:CIP、OTC、SM2主要热解温度区间分别为150~625℃、220~600℃、260~480℃;初始热解温度以及最大失重峰对应温度均为OTCSM2CIP;CIP热解具有2个失重峰,OTC与SM2热解仅有1个失重峰;且SM2热解失重峰最高,反应最剧烈;抗生素热解最终残留物均为残碳,且CIP热解残留率最低,为18.9%。抗生素热解过程可分为3阶段:第1阶段反应级数均为2级,活化能最高,频率因子最大;OTC、SM2与CIP热解平均活化能分别为50.19、72.31、81.85 k J·mol-1,说明OTC热解反应最容易进行,CIP热解则相对较难。上述结果将为污泥热解炭化工艺实现抗生素消减提供良好的理论基础。     

热解温度对污泥碳基材料表面性质及吸附性能的影响

以市政污泥为原料,在300、400、500、600、700和800℃无氧气氛下,热解制备了污泥基生物炭。采用BET、SEM、XPS、FT-IR对不同热解温度下污泥炭进行了表征分析;研究了不同热解温度下污泥炭对污水中有机物的吸附效果和动力学;探究了热解温度对污泥炭微观调控下吸附实际水体中有机物的匹配机质。结果表明,随热解温度的升高,C—H、C—C结合比例降低,C=C、C—O=C比例升高,芳香化程度增加,且比表面积、孔容及表面粗超度均有所增加,1～2 nm微孔比例增多,介孔向微孔发展趋势逐渐明显。800℃热解温度条件下制备的污泥炭对二沉池出水中有机物的吸附效果优于其他温度下制备的污泥炭。吸附温度为298.15 K时,最大吸附容量为282.5 mg·g~(-1),且符合准二级吸附动力学。高温下制备的污泥炭对水体中腐殖酸和富里酸具有较强的吸附效能。这主要是由于表面丰富的含氧官能团、芳香键与腐殖酸和富里酸发生了氢键、化学键缔合作用和π-π共轭作用,同时污泥碳表面发达的孔隙结构和较大的比表面积也提供了更多的活性结合位点,促进了污染物的吸附。     

热解柚子皮吸油材料的制备及性能

热解处理柚子皮,制备吸油材料,当热解温度为400℃、热解时间为3 h时吸油倍率最高,达16.9 g/g,3 min内达到吸附饱和。对热解前后柚子皮的FTIR和热重分析,热解损失的主要是纤维素和半纤维素。对热解前后柚子皮的比表面和电镜分析,热解之后的柚子皮呈三维网状结构,孔径增大明显,吸油倍率的提高主要是因为孔径的增大。     

金属离子对松子壳水热碳化固体产物的影响

以废弃生物质松子壳为原料,利用水热碳化法在180~250℃下制备生物炭,考察添加金属离子(Ca~(2+)、Zn~(2+)、Al~(3+)和Fe~(3+))对松子壳生物炭的影响。通过元素分析、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜等技术对松子壳生物炭的结构进行了分析和表征。结果表明,4种金属离子均对松子壳水热碳化起到促进作用,金属离子的加入可在较低温度下得到具有较高碳含量及热值的生物炭。添加金属离子的水热炭化过程在180~230℃以脱水为主,伴随脱羧反应,在230~250℃以脱甲烷化为主。在4种金属离子中,Fe~(3+)对松子壳水热碳化的促进作用最大,温度180℃时,添加Fe~(3+)所得生物炭的碳含量和热值分别为66.59%和24.40 MJ·kg~(-1),是在纯水中180℃时生物炭的碳含量的1.29倍,热值的1.31倍。在扫描电镜中发现添加Fe~(3+)生成的生物炭出现的球形结构较多。通过调节温度以及添加适合的金属离子可实现对炭微球的粒径及数量的控制。     

TG-FTIR研究生物质成型燃料热解与燃烧特性

利用热重-红外联用分析仪(TG-FTIR)研究了生物质成型燃料(玉米秸杆)的热解和燃烧特性。结果表明,热解和燃烧反应过程均可分为3个阶段:干燥脱气(100~200℃)、挥发分反应(200~400℃)与碳化反应(400~1 000℃)。热解和燃烧主要失重阶段(200~400℃),燃烧反应速率总体上大于热解反应速率。利用Coats-Redfern方法对玉米秸杆的主要失重阶段进行动力学分析发现,热解和燃烧的反应过程符合一级反应模型;在主要失重阶段(200~400℃),热解和燃烧所需的活化能相差不大。FTIR分析表明,热解的气相产物主要分为轻质类气体(H2O、CO2、CO、CH4、HCl、NH3和HCN)和焦油类(酸类和酚类)物质,而燃烧的气相产物主要以CO2和H2O析出为主。