生物炭吸附重金属的研究进展

生物炭是一种废弃物资源化利用的产物。作为新型环境功能材料,生物炭以其优良的环境效应和生态效应成为环境科学等学科研究的前沿热点。因其孔隙结构发达、比表面积巨大和独特的表面化学性质,对环境介质中的重金属离子有很强的吸附作用,进而影响了重金属离子的迁移与归宿。主要从生物炭的材料来源、吸附重金属离子的机制、影响因素以及对土壤中重金属生物有效性的影响等方面进行综述,并提出生物炭吸附重金属离子的未来研究方向。     

蔗渣生物炭对砖红壤吸附氧氟沙星的影响

以热带农业废弃物甘蔗渣为前驱材料,在3种裂解温度(350、450和550℃)下制备生物炭(分别记为BC350、BC450和BC550),研究其对氧氟沙星在砖红壤中吸附-解吸的影响特征。研究结果表明,氧氟沙星在砖红壤和生物炭土壤(w/w,1.0%)上的吸附-解吸过程可以分为快速和缓慢两个阶段。伪二级动力学模型能较好地拟合氧氟沙星在砖红壤和3种生物炭土壤(w/w,1.0%)上的吸附-解吸动力学过程(r≥0.873,pKd值被提高了3.73~6.73倍。Freundlich模型和Langmuir模型能较好地描述氧氟沙星在生物炭土壤中的吸附解吸过程(r≥0.988,p<0.01)。生物炭对氧氟沙星的吸附包括表面作用和分配作用两个过程。生物炭土壤对氧氟沙星的解吸过程并非吸附的可逆过程,其吸附-解吸过程存在迟滞效应。     

污泥生物炭的磷吸附特性

利用脱水污泥为原料在不同温度下热解制备污泥生物炭（sewage sludge biochar,SSBC）,研究SSBC的磷吸附特征。700℃下制备的SSBC（B700）具有最好的磷吸附性能（5.93 mg·g-1,以P计）,且效果优于其他类型的生物炭和活性炭,可以用作一种廉价的磷吸附剂。磷以稳定的形态吸附于SSBC上,SSBC吸附磷的机制主要是其表面的CaO和MgO与磷酸根结合形成稳定的磷酸盐沉淀。吸附条件优化表明,吸附温度升高促进SSBC对磷的吸附,SSBC吸附磷的适宜pH为6~8,共存离子CO32-对磷吸附具有明显的抑制。采用Langmuir方程、Freundlich方程及Langmuir-Freundlich方程均能较好地拟合B700对磷的吸附,表明磷在SSBC表面的吸附可能受多种机制影响。     

牛粪生物炭对Cd2+的吸附影响因素及特性

为了考察以牛粪为原料制备的生物炭对水溶液中Cd2+的吸附效果,进行了吸附影响因素、吸附等温线和动力学研究。结果表明,当热解温度为700℃、投加量为20 g/L、溶液初始pH为5、水溶液Cd2+初始浓度为10 mg/L、吸附平衡时间为60 min和溶液温度为25℃时,对Cd2+的吸附效果最佳,Cd2+去除率可达99%以上。提高溶液温度有利于吸附。降低生物炭热解温度和投加量对吸附效果影响不大。Langmuir方程能更好地拟合生物炭对Cd2+的吸附等温过程,吸附过程符合准二级动力学方程。牛粪生物炭是性能优良、价格经济的水溶液中Cd2+的吸附剂。     

载镧酒糟污泥生物炭对磷的吸附性能及机理

为实现市政污泥的无害化和资源化利用,以酒糟和市政污泥为原料热解制备酒糟污泥生物炭(LBC_Z),采用共沉淀法将镧(La)负载到LBC_Z表面制得La改性酒糟污泥生物炭(La-LBC_Z),探究了改性剂浓度、La-LBC_Z投加量、溶液初始pH和共存离子对La-LBC_Z吸附磷的影响,使用SEM-EDS、BET、XRD、FTIR和XPS等表征手段分析了吸附机理。结果表明：改性剂浓度为0.1 mol·L⁻¹时La-LBC_Z对磷的吸附效果最好(吸附量为68.32 mg·g⁻¹),为改性前的6倍;吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir模型,为单分子层表面的化学吸附。此外,生物炭孔隙结构不发达,La以氢氧化物形态负载到生物炭表面,络合反应是其主要的吸附机理。在吸附-脱附实验中,La-LBC_Z经过5次循环后吸附量为61.2 mg·g⁻¹,吸附率为87.79%,脱附量为52.65 mg·g⁻¹,脱附率为75.52%,说明其具有良好的循环性能和磷回收性能。     

核桃壳生物炭小球对雌激素污染物的吸附机制

为探究生物炭小球对雌激素污染物的吸附机制,以农业废弃物核桃壳为原材料,在400 ℃下热解碳化制备生物炭,与黏土、碳酸氢钠、硅酸钠混合制备生物炭小球。采用ESEM观察、比表面积测定、红外光谱对其表面结构和组成进行表征,并将其用于对雌酮(E1)、雌二醇(E2)和雌三醇(E3)的吸附去除研究。分别考察了吸附时间、溶液pH、生物炭小球投加量以及雌激素初始浓度对吸附效果的影响,并通过颗粒内扩散、等温吸附、吸附动力学探讨其吸附机制。结果表明：生物炭小球对雌激素的吸附平衡时间为15 min;投加量为1 g、pH为5、初始浓度为2 500 μg·L-1时平衡吸附量最大;颗粒内扩散模型研究结果表明吸附机制包括分配作用和表面吸附;准二级动力学可较好地描述生物炭小球对雌激素的吸附过程;生物炭小球对雌激素的吸附过程符合Freundlich等温吸附模型。所制备的生物炭小球对雌激素污染物具有较好的去除效果,在环境治理方面具有一定的应用前景。     

改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd2+的吸附

对玉米秸秆和花生壳炭化制备的生物炭,运用高锰酸钾进行改性,研究其对Cd2+的吸附效果。通过批次吸附实验,考察了两种改性生物炭对Cd2+吸附的初始浓度、pH值、接触时间等因素的影响。结果表明,在pH为6.0,Cd2+浓度为100 mg·L-1,温度为20℃,吸附时间为12 h,吸附剂投加量为1.0 g·L-1条件下,改性玉米秸秆炭和花生壳炭对Cd2+的去除率分别为67.03%和46.10%,与未改性的生物炭相比,吸附率分别提高了3.8倍和6.2倍。改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd2+的吸附均符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型,最大吸附量分别为68.97和55.55 mg·g-1。两种改性生物炭的吸附行为均符合准二级吸附动力学模型,说明其吸附以化学吸附为主。改性玉米秸秆炭和花生壳炭吸附Cd2+后,可用NaOH溶液进行解吸,解吸4次后,对Cd2+仍有较好的吸附效果,吸附量分别为31.40和24.10 mg·g-1。这说明,高锰酸钾改性玉米秸秆炭和花生壳炭是一种吸附性能高且能够重复利用的去除溶液中Cd2+的吸附材料。     

腐殖酸对生物炭吸附水环境中雌激素的影响

以玉米秸秆为原料,通过500℃限氧裂解制备生物炭(记为500BC),并采用批量吸附实验对比500BC及腐殖酸负载后生物炭(记为500BC-HA)对于水环境中两种雌激素(双酚A(BPA)和17α-乙炔雌二醇(EE2))的吸附性能及作用机制。结果表明,腐殖酸分子可阻塞部分500BC孔隙,使500BC的孔径、孔容及比表面积下降,负载腐殖酸后,500BC的比表面积由8.43m~2/g减小至4.40m~2/g,孔径从26.1nm减小至3.2nm,孔容由0.018cm~3/g下降至0.001cm~3/g;与500BC相比,500BC-HA对BPA、EE2的吸附能力均明显降低,一方面是因为腐殖酸分子占据了500BC表面的吸附点位并堵塞部分孔隙,使其吸附能力降低,另一方面腐殖酸负载后引入更多的含氧官能团,使500BC表面疏水性降低,与雌激素间的疏水作用减弱。腐殖酸负载质量浓度为0～10mg/L时,增加负载质量浓度对500BC吸附性能影响明显,当负载质量浓度大于10mg/L时,腐殖酸在500BC表面达到饱和,继续增加负载浓度对500BC的吸附性能不再产生影响。     

钙改性玉米芯生物炭对水中氮磷吸附特性

以玉米芯为原材料,在500 ℃条件下高温热解制备生物炭,使用CaCl₂对其进行改性,通过SEM、EDS、BET-N₂、FTIR、XPS等手段对生物炭结构与组成进行了测定。通过吸附实验研究了改性生物炭对水中氮磷的吸附性能和影响因素,分析探讨其吸附机理,为生物炭在水处理中的应用提供参考依据。结果表明：CaCl₂改性使玉米芯生物炭比表面积提高了137.57%,微孔和介孔数增加,并产生Ca²⁺、Cl⁻离子有效附着。氮磷初始溶液质量浓度、固液比、吸附时间均会对生物炭的吸附性能产生影响。CaCl₂改性后的生物炭对氮磷吸附量分别提高了46.6%和78.4%。改性后的生物炭(Ca-BC)对水中氮磷的吸附更符合准二级动力学;Ca-BC对氨氮和磷酸盐的等温吸附更符合Langmuir模型,吸附过程更接近物理吸附为主,化学吸附为辅的单分子层吸附。Ca-BC通过范德华力静电相互作用、离子交换和化学沉淀过程去除水中氮磷。     

垫料生物炭对Cd2+的吸附性能

以发酵床废弃垫料和秸秆为原料,采用限氧热解法制备不同温度（300、400和500℃）下的垫料生物炭（D300、D400和D500）和秸秆生物炭（S300、S400和S500）,通过X-ray能谱仪、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪等手段表征其物理化学性质,研究不同吸附时间、Cd2+浓度和初始pH下垫料生物炭对Cd2+的吸附性能,并与秸秆生物炭进行比较。结果表明,D300和D400的吸附过程较符合准二级动力学模型,D500的吸附过程更符合颗粒内扩散模型,吸附时间以30 h为宜;垫料生物炭对Cd2+的等温吸附实验更符合Freundlich模型,400℃制备的垫料生物炭对Cd2+的吸附效果最好;D300和D400对Cd2+的吸附能力受pH的影响较大,D500对Cd2+的吸附能力受pH的影响较小,pH在4.5~7.5之间吸附效果较好。秸秆生物炭吸附Cd2+到表观平衡所用的时间在20 h左右,而最大吸附量比垫料生物炭多2.727 mg·g-1。     

磺胺间甲氧嘧啶在土壤中的吸附/解吸特性研究

通过吸附/解吸动力学、吸附/解吸热力学试验研究了磺胺间甲氧嘧啶(SMM)在河南土壤上的吸附/解吸行为,并分析了影响SMM吸附/解吸的因素。结果表明,SMM在土壤中的吸附系数为18.9mL/g,土壤有机碳吸附系数为466.2mL/g,SMM在土壤中具有一定的移动性,对地下水和地表水存在一定的污染风险;描述SMM吸附过程的最优动力学方程为一级反应动力学方程,土壤对SMM的吸附近似于一级反应,且SMM在土壤中的吸附以物理吸附为主;用Freundlich方程来描述SMM在土壤的等温吸附行为最适宜,且SMM在土壤中的吸附经验常数的倒数均小于1,属于L-型吸附等温线。     

泥炭对甲苯的吸附-解吸行为研究

用热处理方法对泥炭进行活化改性,探讨了对甲苯的吸附性能及影响因素,并研究了甲苯在泥炭上的吸附/解吸行为。结果表明,粒径在0.6～1 mm之间的泥炭在160℃热处理5 h,在pH为7的条件下对甲苯有良好的吸附效果,对甲苯的吸附量为0.32 mg/g。泥炭对甲苯的吸附在20 min内基本达到平衡,可用二级吸附速率方程进行拟合。甲苯在泥炭上的吸附和解吸均呈现明显的非线性,用Langmuir模型能较好地描述,泥炭对甲苯的饱和吸附量为0.939 mg/g。甲苯在泥炭上的平均解吸率为6.393%,并且出现了滞后现象,表明苯系物与泥炭有较强的结合能力。研究结果为应用泥炭作为PRB装填介质进行原位修复甲苯污染的地下水提供了理论依据。     

KOH活化制备蚕沙基生物炭及其对镉的吸附特性

以蚕沙生物炭为原料,以KOH为活化剂,通过浸渍(KBC)和浸渍-热解(KBC400)活化工艺制备蚕沙基生物炭,用于吸附去除水体中的镉离子(Cd2+).运用一系列的表征技术分析了生物炭的形貌和性质,并通过批量实验考察了投加量、pH、共存离子、吸附时间和Cd2+浓度等因素对Cd2+吸附性能的影响.表征实验结果表明,活化的蚕...     

鸡粪制备的生物碳对水中磷的吸附去除研究

以鸡粪为原料热解制备的生物碳作为吸附剂,考察了水中磷在生物碳上的吸附动力学,以及吸附效果的主要影响因素,并对磷的去除机制做了初步探讨.结果表明:以鸡粪为原料制备的生物碳具有较高的灰分含量和较高的比表面积,这有利于其对磷的吸附;拟一级动力学模型能更好描述水中磷在生物碳表面的吸附行为,水中磷是通过吸附到生物碳表面的胶体和MgO颗粒上而得以去除的;磷在生物碳上的吸附等温线能较好用Freundlich、Langmuir-Freundlich模型来拟合,表明生物碳对磷的吸附是由非均质过程控制的;生物碳对磷的吸附作用受溶液pH的影响,这是由于pH影响溶液中磷的存在形式,而各种离子在生物碳表面的竞争吸附会影响磷的吸附效果;利用鸡粪热解产生的生物碳吸附去除水中磷是可行的,不仅成本低廉并且能够达到以废治废的目的.     

多孔碳材料对二噁英吸附性能的研究评述及展望

活性炭吸附已成为垃圾焚烧企业脱除烟气中二噁英类有机污染物最常用的方法。介绍了活性炭在垃圾焚烧企业的应用现状及存在的问题,系统分析了活性炭对二噁英的吸附特点,总结了烟气温度、活性炭喷入量、二噁英同系物分布、活性炭的孔结构等对二噁英脱除效率的影响。此外,概述了活性碳纤维、碳纳米管在二噁英吸附方面的研究动态。分析了碳纳米管在吸附二噁英过程中不同于活性炭的吸附机制,探讨了其未来替代活性炭作为二噁英吸附材料的可能性。     

Tetracycline removal enhancement with Fe-saturated nanoporous montmorillonite in a tripartite adsorption/desorption/photo-Fenton degradation process

The adsorption and photo-Fenton degradation of tetracycline (TC) over Fe-saturated nanoporous montmorillonite was analyzed. The synthesized samples were characterized using XRD, FTIR, SEM, and XRF analysis, and the adsorption and desorption of TC onto these samples, as well as the antimicrobial activity of TC during these processes, were analyzed at different pH. Initially, a set of adsorption/desorption experiments was conducted, and surprisingly, up to 50% of TC adsorbed was released from Mt structure. Moreover, the desorbed TC had strong antibacterial activity. Then, an acid treatment (for the creation of nanoporous layers) and Fe saturation of the montmorillonite were applied to improve its adsorption and photocatalytic degradation properties over TC. Surprisingly, the desorption of TC from modified montmorillonite was still high up to 40% of adsorbed TC. However, simultaneous adsorption and photodegradation of TC were detected and almost no antimicrobial activity was detected after 180 min of visible light irradiation, which could be due to the photo-Fenton degradation of TC on the modified montmorillonite surface. In the porous structures of modified montmorillonite high, ˙OH radicals were created in the photo-Fenton reaction and were measured using the Coumarin technique. The ˙OH radicals help the degradation of TC as proposed in an oxidation process. Surprisingly, more than 90% of antimicrobial activity of the TC decreased under visible light (after 180 min) when desorbed from nanoporous Fe-saturated montmorillonite compared to natural montmorillonite. To the best of our knowledge, this is the first time that such a high TC desorption rate from an adsorbent with the least residual antimicrobial activity is reported which makes nanoporous Fe-saturated montmorillonite a perfect separation substance of TC from the environment.

     

改性沸石吸附低浓度氨氮废水及其脱附的研究

采用氯化钠溶液对浙江某地天然沸石改性,以低浓度氨氮废水为处理对象,比较了天然沸石和改性沸石的吸附等温线、吸附动力学和动态吸附,并进行了改性沸石的动态脱附研究.结果表明,沸石的平衡吸附量随着平衡浓度的增大而增大;Freundlich方程比Langmuir方程更好地描述沸石吸附低浓度氨氮废水的行为,改性沸石比天然沸石具有更...     

Technological applications of organo-montmorillonites in the removal of pyrimethanil from water: adsorption/desorption and flocculation studies

Environmental Science and Pollution Research - Pyrimethanil (2-aniline-4, 6-dimethylpyrimidine, PRM) is used in fruit packing plants to control fungal infections and diseases. The effluents greatly...     

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。     

Influence of soil properties on heavy metal sequestration by biochar amendment: 2. Copper desorption isotherms

Contaminant desorption constrains the long-term effectiveness of remediation technologies, and is strongly influenced by dynamic non-equilibrium states of environmental and biological media. Information is currently lacking in the influence of biochar and activated carbon amendments on desorption of heavy metal contaminants from soil components. In this study, copper sorption-desorption isotherms were obtained for clay-rich, alkaline San Joaquin soil with significant heavy metal sorption capacity, and eroded, acidic Norfolk sandy loam soil having low capacity to retain copper. Acidic pecan shell-derived activated carbon and basic broiler litter biochar were employed in desorption experiments designed to address both leaching by rainfall and toxicity characteristics. For desorption in synthetic rain water, broiler litter biochar amendment diminished sorption-desorption hysteresis. In acetate buffer (pH 4.9), significant copper leaching was observed, unless acidic activated carbon (pH_pzc = 3.07) was present. Trends observed in soluble phosphorus and zinc concentrations for sorption and desorption equilibria suggested acid dissolution of particulate phases that can result in a concurrent release of copper and other sorbed elements. In contrast, sulfur and potassium became depleted as a result of supernatant replacements only when amended carbon (broiler litter biochar) or soil (San Joaquin) contained appreciable amounts. A positive correlation was observed between the equilibrium aluminum concentration and initial copper concentration in soils amended with acidic activated carbon but not basic biochar, suggesting the importance of cation exchange mechanism, while dissolution of aluminum oxides cannot be ruled out.