不同菌糠生物炭对水体中Cu2+、Cd2+的吸附性能

以菌糠废弃物为原料,采用限氧裂解法在500℃条件下制备香菇菌糠、猴头菇菌糠和平菇菌糠生物炭(LEBC、HEBC和POBC).利用SEM、XRD和FTIR等方法对吸附剂进行了表征;通过吸附动力学、等温吸附、生物炭酸化实验探究了3种菌糠生物炭去除水溶液中Cu~(2+)、Cd~(2+)的效果及机理.结果表明,在溶液初始pH 2—3时,3种菌糠生物炭对溶液中Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附量急剧增加.LEBC、HEBC、POBC对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附符合准二级动力学模型,对Cu~(2+)的吸附速率分别为10.15×10~(-3)、7.08×10~(-3)、0.69×10~(-3) mg·g~(-1)·min~(-1),对Cd~(2+)的吸附速率分别为6.53×10~(-3)、5.19×10~(-3)、0.26×10~(-3) mg·g~(-1)·min~(-1).不同浓度下LEBC、HEBC、POBC对Cu~(2+)的吸附符合Langmuir模型,最大吸附量依次为56.74、11.98、77.32 mg·g~(-1);而Cd~(2+)的吸附符合Freundlich模型,最大吸附量依次为74.26、36.49、70.2 mg·g~(-1).LEBC在较短的时间内能达到较大的吸附量,可作为去除水体中Cu~(2+)、Cd~(2+)的优质吸附剂.XRD和FTIR等分析结果表明生物炭对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附机制包括物理吸附、阳离子-π作用、官能团络合及沉淀.3种生物炭经酸化处理后,对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附能力显著下降,表明生物炭中碳酸盐引起的Cu~(2+)、Cd~(2+)表面沉淀在吸附过程中起重要作用.     

皇竹草生物炭的结构特征及对重金属吸附作用机制

本研究以皇竹草秸秆为生物质原料,在不同温度(400—700℃)下利用限氧热解法烧制一系列秸秆生物炭.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱对所得生物炭样品进行分析,结果表明,500℃可使皇竹草秸秆生物炭充分热解,所得的生物炭晶体构成主要由半晶体结构涡轮层碳和一些矿物晶体组成,表面含有芳香类化合物、不饱和的醚类物质、无定形碳和C—C、C—O、C—OH等官能团.吸附实验表明,不同热解温度的皇竹草秸秆生物炭对混合重金属(Cr(Ⅵ)、Cu~(2+)、Cd~(2+))的吸附效果差异显著.在EDTA共存的条件下,皇竹草秸秆生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附量远高于Cu~(2+)、Cd~(2+),其中500℃下热解得到的生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附量达1.525 mg·g-1,而对Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附量约在0.05—0.15 mg·g-1.p H影响实验表明,在酸性条件(p H 1—4)下有利于Cr(Ⅵ)的吸附,其吸附量最高可达1.836 mg·g-1,在碱性条件(p H 9—13)下有利用于Cu~(2+)的去除,其吸附量最高可达0.836 mg·g-1.Cu~(2+)和Cd~(2+)在生物炭的吸附作用主要发生在C—C/C—H、C—O/C—OH等官能团上,重金属与生物炭中C—O官能团中的氧原子可能存在配位作用.     

改性稻壳生物炭对水中Cd~(2+)的吸附性能研究

为提高生物炭对水中Cd~(2+)的吸附去除性能,以BC1和BC2 2种稻壳生物炭为基础材料,分别采用NaOH和FeCl_3溶液制备得到NBC1和NBC2以及FBC1和FBC2改性稻壳生物炭,并通过吸附动力学和等温吸附实验研究6种生物炭对水中Cd~(2+)的吸附性能。结果表明,对于50 mg·L~(-1) Cd~(2+)溶液,当生物炭投加量为1 g·L~(-1)时,BC1、BC2对Cd~(2+)的吸附量分别为14.76和13.72 mg·g~(-1),NBC1、NBC2对Cd~(2+)的吸附量分别为未改性稻壳生物炭的3.26和2.47倍,而FBC1、FBC2对Cd~(2+)的吸附量则仅为未改性稻壳生物炭的1.03和0.74倍,NaOH改性稻壳生物炭能显著提高稻壳生物炭对Cd~(2+)的吸附能力,而FeCl_3改性对稻壳生物炭吸附Cd~(2+)的能力影响不大。稻壳生物炭对Cd~(2+)的吸附符合准二级动力学和Langmuir模型,为单分子层吸附过程;NBC1和NBC2对Cd~(2+)的最大吸附量(131.58和98.04 mg·g~(-1))明显高于FBC1和FBC2(30.30和23.26 mg·g~(-1))。与FeCl_3改性相比,NaOH改性显著增强稻壳生物炭对Cd~(2+)的吸附能力,其主要原因为NaOH使生物炭表面碱性含氧官能团增多,从而增强了生物炭与Cd~(2+)之间的离子交换和沉淀作用。     

花生壳和松木屑制备的生物炭对Cu~(2+)的吸附研究

为了深入了解生物炭施用对重金属环境行为和风险的影响,研究了生物炭吸附Cu~(2+)的机理。以花生壳和松木屑为原料,采用限氧升温炭化法,在200~500℃热裂解制得8种生物炭,并通过元素分析仪、傅立叶变换红外光谱分析(FITR)和扫描电镜-能谱分析(SEM/EDS)对其进行了表征。同时,采用批试验方法研究了生物炭对Cu~(2+)吸附行为。研究结果表明,(1)热解温度越高,灰分含量越多,p H增大,生物炭芳构化程度越高,比表面积更大;(2)Cu~(2+)在生物炭上的吸附动力学划分为快吸附和慢吸附两个一级动力学阶段,其中快室是生物炭表面含氧官能团如羧基(-COOH)、酚羟基(-OH)等与重金属离子相互作用的吸附,慢速室是生物炭通过颗粒内扩散作用被生物炭吸附;(3)FM模型更适合于对花生壳和松木屑制备的生物炭吸附Cu~(2+)的数据进行拟合,所得非线性指数(n)的值在0.23~0.67之间且随热解温度升高n值越来越小;(4)在热解温度为200~500℃,花生壳生物炭对Cu~(2+)的吸附量先下降后增加且PS5对Cu~(2+)的吸附性能最佳;而松木生物炭对Cu~(2+)的吸附量没有明显的规律性变化,但PC2对Cu~(2+)的吸附性能最佳。     

芦苇生物炭对水中铅的吸附特性

将芦苇秸秆在500℃下缺氧热解4 h制备成生物炭.采用批量平衡实验法,考察溶液p H值、生物炭投加量、溶液离子强度以及生物炭灰分对芦苇生物炭吸附水中Pb~(2+)的影响.结果表明:溶液p H值在2.0—5.5范围内,芦苇生物炭对Pb~(2+)的吸附量随着p H值升高而增加;生物炭最佳投加量为1.8 g·L-1,Pb~(2+)的去除率为96.6%;溶液中Na~+、Ca~(2+)的存在会抑制芦苇生物炭对Pb~(2+)的吸附;去除灰分后的生物炭对Pb~(2+)的吸附量降低.不同温度下的吸附等温线更符合Langmiur方程.在283、298、313 K下的最大实际吸附量分别为21.89、24.06、24.95 mg·g~(-1).热力学研究结果为ΔGθ0、ΔHθ0和ΔSθ0,说明该吸附是自发、熵增的吸热过程.吸附动力学线性拟合结果更符合假二级动力学方程.芦苇生物炭吸附前后的红外光谱和XRD衍射谱图分析表明吸附过程存在离子交换和阳离子-π作用.去除灰分的生物炭吸附Pb~(2+)后溶液中Na~+、K~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)浓度升高,表明离子交换是主要吸附机制.     

羟基磷灰石/凹凸棒土复合材料制备及其对水中镉的去除

研究了羟基磷灰石/凹凸棒土复合材料(HA/A)的制备及其对Cd~(2+)的吸附性能.用BET、XRD、SEM、FTIR、XPS对凹凸棒土(A)、羟基磷灰石(HA)和HA/A的结构进行了表征.研究了凹凸棒土的投加量、PO■和Ca~(2+)的初始浓度,高温焙烧对材料制备的影响.研究了材料等温吸附模型,动力学以及热力学;探究了pH、阴离子和材料投加量对吸附Cd~(2+)的影响;研究了竞争吸附实验.结果表明,制备最佳条件为:凹凸棒土投加量为4g·L~(-1),硝酸钙初始浓度为8.23 g·L~(-1),不经高温焙烧;机理分析表明,Cd~(2+)吸附过程是一个单分子层的吸热的化学吸附过程;因素实验表明,高pH值利于Cd~(2+)去除,F~-促进吸附, Cl~-抑制吸附.材料对Pb~(2+)、Cu~(2+)、Cd~(2+)、Zn~(2+)吸附量分别为3.70、1.99、1.17、0.99 mmol·g~(-1).     

薏仁米秸秆生物炭对水中Hg~(2+)的吸附特性及机制

农业废弃物资源化利用和无害化处理是实现农业可持续发展和发展循环经济的有效途径,对薏仁米(Semen Coicis)秸秆制备生物炭吸附剂,实现有机固体废弃物资源化利用,解决重金属废水处理难题,以薏仁米秸秆为原料,采用快速热解法制备生物炭。为探明不同温度下制备的薏仁米秸秆生物炭对重金属Hg~(2+)的去除机制及机理,并用扫描电子镜-能谱分析法(SEM-EDS)、傅立叶变换红外光谱法(FT-IR)、氮吸附法(BET)、X射线光电子能谱法(XPS)脱附对制备的生物炭进行了表征,研究其对水中Hg~(2+)的吸附特性及机制。通过结果表明,随裂解温度的升高,生物炭的孔径尺寸逐渐增大,表面极性官能团逐渐减少,比表面积、孔隙容积呈现先增加后减小的趋势。薏仁米秸秆生物炭具有丰富的蜂窝状孔结构和-COOH、-OH等表面活性基团。生物炭对质量浓度小于100 mg·L~(-1)溶液中Hg~(2+)的去除率大于92%,且生物炭对Hg~(2+)的去除率主要发生在前1 h吸附时间内,然后趋于平衡;随添加量的增加,生物炭对Hg~(2+)去除效率呈现先增加后减小的趋势,含量为2 g·L~(-1)时生物炭对水中Hg~(2+)的去除效率最高,且700℃制备的生物炭对Hg~(2+)的去除效率最高,最大吸附量可达235.3mg·g~(-1)。吸附平衡等温线和吸附动力学结果表明,薏仁米秸秆生物炭对Hg~(2+)的吸附过程符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学吸附模型,其对Hg~(2+)的吸附为单层吸附;结合X射线光电子能谱和立叶变换红外光谱,吸附作用机制主要以共沉淀和表面络合为主,Hg-π非共价相互作用为辅的形式结合机理。     

氧化石墨烯存在下铜离子对大型溞的毒性研究

氧化石墨烯(graphene oxide,GO)作为一种具有独特物理化学性质的新型纳米材料被广泛应用,其进入环境后可能对传统污染物的毒性造成影响。选取大型溞为受试生物,研究了GO的存在对Cu在大型溞体内的富集、毒性和抗氧化系统的影响。结果表明,GO对Cu~(2+)具有良好的吸附效果,大幅降低了试验液中Cu~(2+)浓度。1 mg·L~(-1)和2 mg·L~(-1)GO存在下,大型溞暴露于19.2μg·L~(-1)Cu~(2+)溶液72 h后,体内的金属Cu富集量由360μg·g-1干重分别降低为308μg·g-1和215μg·g-1干重。GO的存在降低了Cu~(2+)对大型溞的毒性,Cu~(2+)对大型溞的72 h-LC50值由19.2μg·L~(-1)升高至56μg·L~(-1)。Cu~(2+)单独作用时,大型溞体内SOD活性和GSH含量表现为先诱导后抑制,而MDA含量逐渐升高;当GO存在时,大型溞体内酶活性的变化趋势与上述现象类似,但含量总体低于Cu~(2+)单独暴露时的活性和含量。研究表明GO的加入减少了大型溞体内Cu的富集量,降低了Cu~(2+)对大型溞的氧化损害,对Cu~(2+)的毒性存在一定的减轻效果。     

根瘤菌S2对离子态和酒石酸络合态铜的吸附行为

探究根瘤菌S2的吸附动力学和热力学行为以及根据不同投菌量和pH的影响分析其对于Cu~(2+)及酒石酸络合铜的吸附性能;结合对吸附前后上清液及菌体进行EEM、FTIR、XRD以及XPS分析解释菌株吸附机理.结果表明,菌株吸附2 mg·L~(-1) Cu~(2+)及酒石酸络合铜均可分为快速吸附和慢速平衡阶段,12 h后基本达到平衡,吸附率达97%以上;温度的升高会导致吸附量增加.最适投菌量约为0.6 g·L~(-1) wet cells;菌株吸附Cu~(2+)的最适pH值为6,而当pH值小于10时菌株对于酒石酸络合铜的吸附几乎不受影响.在吸附过程中,溶解性微生物产物(SMP)、细胞壁上的还原和官能团络合机制均发挥关键作用,吸附铜离子过程中SMP的作用更明显,而细胞壁在络合铜的吸附过程中的作用较大,其破络效率决定于细菌活性.     

不同热解条件下制备的秸秆炭对铜离子的吸附动力学

研究了不同热解条件下制备的秸秆生物炭对铜离子的吸附动力学规律.以常见的玉米杆和番茄杆为原料,在限氧升温热解的条件下制备生物炭.研究不同热解温度(300、400、500、600、700℃)和不同热解时间(1、2、4、6、8 h)对秸秆生物炭吸附性能的影响,实验结果表明番茄杆样品T6004和玉米杆样品C6006分别获得对铜离子的最佳吸附效果,其去除率分别为98.40%和98.77%.通过批试验探明秸秆生物炭对Cu~(2+)的吸附动力学特征与机理,秸秆生物炭对Cu~(2+)的吸附动力学数据随时间的变化能很好地用准二级动力学方程进行拟合,说明生物炭对Cu~(2+)的吸附是一个复杂的过程,并不是简单的单层吸附.用颗粒内扩散模型进行拟合分析发现,热解时间和温度对秸秆生物炭的吸附边界层厚度均会产生不同程度的影响.此外,颗粒内扩散并非吸附过程的唯一控速步骤,表面吸附和液膜扩散共同控制吸附反应速率.