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.