中药渣生物炭的制备及其对水中四环素的吸附特性研究

以中药废渣为原料,四环素为目标污染物,采用限氧热解法在热解温度分别为300℃、500℃和700℃的条件下制备了不同中药渣生物炭(Biochar, BC),并采用比表面积分析仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)、X射线衍射仪(XRD)等手段对不同中药渣生物炭的物理化学性质进行了表征;通过中药渣生物炭对水中四环素(Tetracycline, TC)的吸附试验,研究了不同中药渣生物炭对水中四环素的吸附特性,考察了溶液初始浓度、吸附时间对溶液中四环素去除效果的影响,并结合吸附动力学、吸附等温线拟合结果探究了中药渣生物炭对水中四环素的吸附机制。结果表明：随着热解温度的升高,中药渣生物炭中有机物分解,含氧官能团种类及其相对含量发生变化,其中含氧官能团C—C的相对含量升高、C—H的相对含量降低,中药渣生物炭的芳香化程度增加,且700℃制备的中药渣生物炭对水中四环素的吸附性能更优;中药渣生物炭对水中四环素的吸附量依次为BC700(93.46 mg/g)>BC500(76.32 mg/g)>BC300(32.92 mg/g),...     

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.     

污泥液化生物炭对亚甲基蓝的吸附特性及机理

探讨污泥在乙醇-水混合溶剂中液化产生的生物炭的吸附潜力及其吸附机理（以亚甲基蓝（MB）废水为处理对象）,结果表明：生物炭的吸附容量随着MB溶液起始pH值升高而升高,当pH超过8时,MB的碱性褪色开始显现.吸附温度的上升（30~60℃）对生物炭吸附容量的影响不明显.吸附容量总体上随着吸附时间的增加而上升（240min前）,在240min后趋于稳定.吸附剂用量及初始MB浓度过高或过低都不利于生物炭的吸附,存在一个的临界点,分别是6mg和120mg/L.生物炭吸附MB的过程吻合准二级动力学方程（R²=0.9994）和Langmuir方程（R²=0.9831）,且为自发吸热的过程,受物理吸附和化学吸附联合控制,具体的机理包括：离子交换、官能团络合、π-π吸附等.     

氨基酸修饰的高交联吸附树脂对Cu(Ⅱ)和磺胺嘧啶的吸附机制研究

采用络氨酸修饰氯球树脂（PS-DVB）并进行后交联反应制备了氨基酸修饰的高交联吸附树脂（PSTY）.研究了PSTY树脂对Cu（Ⅱ）和磺胺嘧啶（SDZ）的协同吸附性能及交互影响机制.单组分体系中,树脂对Cu（Ⅱ）的吸附随pH值的增加而增加,对SDZ的吸附随着pH值的增加先增后减;共存体系中,SDZ的共存微弱促进了树脂对Cu（Ⅱ）吸附,Cu（Ⅱ）的共存抑制了树脂对SDZ的吸附,且pH大于6后抑制更为明显.PSTY对Cu（Ⅱ）和SDZ的吸附等温线可采用Langmuir和Freundlich方程进行拟合,共存低浓度的SDZ使Cu（Ⅱ）的饱和吸附量略有增加,而高浓度的SDZ使其下降.Cu（Ⅱ）的增强去除主要是阴离子SDZ^-与树脂的质子化基团的静电作用减弱了对Cu（Ⅱ）的静电斥力,Cu（Ⅱ）与SDZ分别与PSTY中的极性基团发生配位作用和氢键作用进行竞争吸附,但Cu（Ⅱ）的配位结合力更强,虽然吸附到树脂上的Cu（Ⅱ）还可以通过桥连作用吸附SDZ,但作用较弱,因此,共存的Cu（Ⅱ）抑制了PSTY树脂对SDZ的吸附,Cu（Ⅱ）浓度越大抑制程度越高.     

Cu2+共存对磺胺嘧啶在土壤中吸附的影响

选取土壤环境中检出率高的铜和磺胺类抗生素为目标污染物,采用批次平衡试验法研究了在Cu²⁺共存时,磺胺嘧啶（SDZ）在pH值、离子浓度、有机质含量、颗粒粒径等因子影响下的吸附特征,并对吸附前后的土样进行傅里叶红外光谱（FT-IR）表征.结果表明,在不同pH值环境中,Cu²⁺显著提高了SDZ的吸附量;Cu²⁺和Ca²⁺均能与SDZ通过络合反应和离子桥作用促进SDZ的土壤吸附;有机质对SDZ的土壤吸附的影响与共存Cu²⁺浓度密切相关;Cu²⁺对黏粒吸附SDZ的影响较小;FT-IR分析表明,土壤对SDZ-Cu的吸附以物理吸附为主,并伴随氢键作用、表面络合、π-π共轭等作用.Cu²⁺可显著增加SDZ在土壤中持留能力,降低其环境迁移的风险.     

臭氧氧化降解水中磺胺嘧啶的机理研究

环境中残留的抗生素药物对生态环境的危害受到极大关注。研究了臭氧对水中磺胺嘧啶(SD)的降解,考察了溶液pH、臭氧浓度和HC O 3 - 投加量对臭氧降解SD的影响,并对其降解机理进行了分析。结果表明:初始pH、臭氧浓度及HC O 3 - 均对臭氧氧化降解SD过程造成影响,提高pH、增加臭氧浓度和HC O 3 - 投加量均能提高SD降解速率;在SD浓度为30 mg/L、初始pH为9.14、臭氧浓度为10.0 mg/L、HC O 3 - 投加量为100 mg/L时,反应30 min后SD基本被去除,120 min后SD的最终矿化率为39.44%;臭氧降解SD过程基本符合伪一级动力学模型。液相色谱-质谱分析结果显示:臭氧氧化SD过程中,生成中间产物对氨基苯磺酸(C6H7NO3S),经臭氧进一步氧化分解,最终矿化生成CO2。     

原料和制炭方式对生物炭吸附抗生素的影响

为研究原料和制炭方法对生物炭吸附抗生素性能的影响,选取芦苇、棉杆和竹柳,经限氧和曝氧法制备得到生物炭,研究其对土霉素（OTC）和磺胺甲恶唑（SMX）的吸附性能及其吸附机理.研究发现：物源特征和制炭方法共同决定了生物炭对抗生素的吸附功效.芦苇和棉秆宜采用限氧法制备成炭,竹柳宜采用曝氧法制备成炭;整体上以曝氧竹柳炭对抗生素的吸附性能最优,单一浓度（50mg/L）下,其对OTC和SMX的吸附量分别为11.98和10.12mg/g.批吸附实验和傅里叶变换红外光谱分析表明,π-π EDA相互作用是竹柳炭吸附抗生素的主要机理.静电吸引有助于高pH值下曝氧竹柳炭对OTC的吸附,而孔隙填充可能对曝氧竹柳炭吸附SMX起到促进作用.曝氧竹柳炭对抗生素的吸附性能优于其他炭品,是去除水体抗生素的优选材料.     

改性稻壳生物炭对水溶液中甲基橙的吸附效果与机制

本文以废弃稻壳为原料,通过不同改性方法将其制成生物炭吸附剂,并用于水体中甲基橙(MO)的吸附.通过氮吸附、X射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜分析(SEM)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术分析了改性剂种类、浸渍比和热解温度对生物炭的物理化学性质及对MO吸附量的影响,发现热解温度为400℃,以ZnCl_2为改性剂,浸渍比为2∶1时制备的生物炭Z2RT400对MO的去除效果最好.以Z2RT400为吸附剂,探究吸附剂添加量、吸附时间、初始污染物浓度、溶液pH等对甲基橙吸附效果的影响,结果表明,饱和吸附时间为420 min,吸附反应的最佳pH为4,当吸附剂用量为10 mg,初始甲基橙浓度为2 000 mg·L~(-1)时,Z2RT400对MO的最大吸附量可达1 967. 72 mg·g~(-1);当吸附剂添加量为80 mg时,去除率最高可达99. 52%.此外,对吸附机制进行分析,发现吸附等温线数据符合Freundlich模型,吸附动力学数据符合拟二级动力学模型,说明吸附以化学吸附为主,物理吸附为辅.因此,废弃稻壳为原料改性制备的生物炭可作为高效的有机染料吸附剂,并应用于水体中污染物的治理.     

磺胺嘧啶在作物根际土壤中的吸附/解吸特性研究

采用根际袋盆栽实验,研究了在小麦和玉米根际效应作用下,土壤对磺胺嘧啶(Sulfadiazine,SD)吸附/解吸热力学与动力学特性.结果表明,小麦和玉米根际与非根际对SD的吸附/解吸均较快,描述2种作物根际与非根际对SD吸附过程最优动力学方程皆为Elovich方程,其次是双常数方程和抛物线方程.在实验所采用的SD浓度范围内,不同处理小麦和玉米根际与非根际对SD的吸附量均随着SD浓度的增加而增加,但根际对SD的吸附能明显高于非根际.用Freundlich方程描述小麦和玉米根际与非根际对SD等温吸附行为最为适宜.SD在小麦和玉米根际与非根际的解吸过程都是非线性的,且在根际的解吸能力明显低于非根际.此外,将小麦和玉米根际与非根际的平均吸附常数(Kf-ads)及平均解吸常数(Kf-des)与土壤有机质、pH、黏粒3种理化性质关系进行逐步回归分析发现,有机质是影响根际SD吸附/解吸行为的关键因素.     

甲氧苄胺嘧啶和磺胺甲恶唑在土壤中的吸附

以OECD Guideline 106为基础,开展吸附动力学和批平衡实验,研究了磺胺甲恶唑(SMZ)和甲氧苄胺嘧啶(TMP)在土壤中的吸附过程。结果表明,相较于单室一级动力学模型,双室一级动力学模型更能准确的描述SMZ、TMP在土壤中的动态吸附过程。在3种表征吸附的模型中,Freundlich模型和DA模型较好的拟合了SMZ和TMP的吸附等温线,但Freundlich模型拟合效果更佳。对于同一种抗生素,在2种土壤中的吸附容量存在较为显著的差异性,在底泥中的吸附容量要高于包气带。     

生物炭对三氯生的吸附热动力学研究

以玉米秸秆、皇竹草和花生壳为原料制备成玉米秸秆生物炭(BCcs)、皇竹草生物炭(BCn)、花生壳生物炭(BCps),采用CEC、等电点滴定,表面官能团分析,元素分析、FT-IR、扫描电镜等方法对3种生物炭进行表征,采用单因素静态吸附实验方法考察了生物炭吸附三氯生的主要影响因素.结果表明:CEC和表面官能团数量排序为BCcsBCnBCps,BCcs极性和亲水性更强,孔结构发育更加完善,其次是BCn,BCps的极性和亲水性最弱,孔隙极少.3种生物炭对三氯生的吸附去除率均随着三氯生初始浓度的升高而升高,随着温度的升高而降低,酸性更有利于吸附实验的进行.低离子强度有利于BCcs和BCn吸附三氯生,BCps则相反.在10、25、40℃3种温度下,3种生物炭对三氯生的吸附均更符合准二级反应动力学,Freundilich等温方程和Langmuir等温方程都能描述这3种生物炭对三氯生的吸附行为,吸附反应属于自发、放热反应.吸附机制主要为物理吸附,生物炭与三氯生之间无化学键、配位基交换等强作用力.     

改性菱角壳生物炭吸附水中土霉素性能与机理

以菱角壳为原料,乙酸钾为活化剂,通过活化碳化一步法制备了改性生物炭(MBC),对其表面形貌、孔径分布、官能团等表面性能进行了表征,并研究了其对水中盐酸土霉素(OTC)的吸附去除行为.相比于热解生物炭(BC),MBC有更高的比表面积(1147.80m2/g)、更丰富的孔径结构,更多的含氧官能团和更强的亲水性.溶液pH值在...     

磁性生物炭对水体中对硝基苯酚的吸附特性

为了制备同时具备磁分离和优良吸附性能的环境友好吸附材料,以棉花秸秆为生物质原料制备生物炭（CSBC）,采用共沉淀法制得磁性棉花秸秆生物炭（MCSBC）.通过元素分析、SEM、XRD、XPS、FTIR和VSM等对MCSBC进行表征,研究了CSBC和MCSBC对水中对硝基苯酚（PNP）的吸附特性.结果表明,溶液pH值对CSBC和MCSBC吸附PNP的影响较大,在酸性条件下的吸附量更大.CSBC和MCSBC对PNP的吸附动力学过程可被准二级动力学模型很好地描述,吸附过程包括液膜扩散和颗粒内扩散两个阶段.Langmuir、Freundlich和Sips模型都可以很好地描述PNP在CSBC和MCSBC上的吸附行为,最大吸附量分别为44.54和48.94mg/g,MCSBC相较于CSBC对PNP的吸附具有更好的效果.热力学研究结果表明,CSBC和MCSBC对PNP的吸附过程为熵增加的自发吸热过程.再生试验结果表明,经6次吸附-解吸循环后,MCSBC对PNP的吸附容量仍能达到初始吸附量的82%.     

改性麦草秸秆对水中磷酸根吸附效果的研究

为实现农作物秸秆资源化,解决水体富营养化问题,将麦草秸秆化学改性成一种可以有效吸附水体中磷酸根的阳离子型吸附剂.考察了吸附剂投加量、磷酸根溶液初始pH、温度等因素对吸附效果的影响,分析了改性麦草秸秆对磷酸根的吸附动力学过程和吸附机理.结果表明,在吸附剂投加量为4 g·L-1和磷酸根溶液初始pH为4.0～7.5条件下,改性麦草秸秆对磷酸根的吸附效果最好,去除率均高于90%;改性麦草秸秆对磷酸根的吸附符合Freundlich等温模式,饱和吸附容量为2.38 mmol·g-1;吸附过程符合一级反应动力学方程,为快速反应过程;反应活化能为12.6 kJ·mol-1,反应速率对温度的变化不敏感.     

颗粒粒径对玉米秸秆生物碳吸附锶的影响

以玉米秸秆为原材料,采用限氧裂解法于350℃下制备了不同粒径的生物碳(BC-9.31、BC-20.26、BC-60.77、BC-71.07、BC-101.9,数字代表样品的中值径μm),研究颗粒粒径对生物碳吸附锶的影响.结果表明:生物碳的颗粒粒径对核素锶的吸附速率和吸附容量均有显著影响.生物碳对锶的吸附动力学符合准二级动力学模型(R2,0.99),颗粒最细的BC-9.31吸附速率最大(4.48 mg·g~(-1)·h~(-1)).随着颗粒粒径的增加,锶的吸附速率呈指数降低,其吸附速率差异高达20倍.生物碳对锶的吸附等温曲线符合准Langmuir模型(R2,0.94~0.99),饱和吸附容量为9.09~23.81 mg·g~(-1).随着粒径的增大,锶的吸附容量先降低后增高又降低,粒径最小的BC-9.31(23.81 mg·g~(-1))吸附容量最大,吸附容量最小的则是BC-60.77(9.09 mg·g~(-1)),两者相差2.6倍.pH对生物碳吸附锶具有重要影响.在溶液pH值较低时(1.93~4.74),对锶的吸附去除率急剧增加(3.94~9.17倍);而pH值较高时(4.74~11.85),吸附去除率缓慢提高(1.11~1.68倍).pH值也是颗粒粒径影响的重要参数,随pH值增加颗粒粒径对生物碳吸附锶的影响程度显著减小.生物碳极性指数与锶饱和吸附量和吸附速率均呈正相关关系,表明极性官能团是锶的重要吸附位点.     

小麦秸秆生物炭对水中对羟基苯甲酸乙酯的吸附特性

对羟基苯甲酸乙酯属于尼泊金酯类物质,是一种典型的新兴环境污染物.本研究通过制得不同热解温度(300、500和700℃)下的小麦秸秆生物炭(分别表示为BC300、BC500、BC700),对水中对羟基苯甲酸乙酯进行间歇吸附.结果表明,热解温度升高会导致生物炭表面疏水性增强,且引起零电荷点从8.37升至9.42.溶液初始p H值由8升至12时,对羟基苯甲酸乙酯去除率显著递减;此外,溶液离子强度的增强会导致对羟基苯甲酸乙酯去除率的下降.生物炭吸附水中对羟基苯甲酸乙酯的等温吸附过程符合Langmuir方程,其中,最大吸附容量排序为:BC700BC500BC300.同时,吸附过程符合准二级动力学方程,且为吸热自发过程.此外,经过4轮再生吸附,生物炭吸附容量仍可达到最初的90%,其中,BC700展示出最高的吸附效率(92.76%).     

添加生物炭对西北黄土吸附克百威的影响

研究了不同温度下制得的生物炭对西北黄土吸附农药克百威的影响,并对溶液p H值和初始浓度对吸附的影响进行了探讨.结果表明,克百威在添加生物炭黄土上的动力学吸附过程较好地符合准二级吸附动力学模型;热力学吸附较好地符合Freundlich等温吸附模型;随着系统温度的升高,添加生物炭的黄土对克百威的吸附量增大,且其对克百威的吸附自由能变(ΔGθ)小于0,吸附焓变(ΔHθ)及吸附熵变(ΔSθ)均大于0,表明吸附是一个自发吸热且体系混乱程度增大的等温吸附过程.溶液p H值和克百威的初始浓度对添加生物炭的土样吸附影响较明显.当p H值为4~7时,添加生物炭的土样饱和吸附量随p H升高呈缓慢降低,当p H值大于7时,吸附容量随p H升高呈明显降低趋势.克百威初始浓度从20 mg·L-1增至50 mg·L-1的过程中,吸附量快速上升,初始浓度大于50 mg·L-1时,吸附量随初始浓度的升高而缓慢增加并逐渐趋于平衡.     

不同粒径污泥生物质炭对水体中Zn污染的吸附效应研究

为了探究3种不同粒径的污泥生物质炭(S1:大粒径 0.165 mm;S2:中粒径为0.025～0.165 mm;S3:小粒径0.025 mm)对Zn的吸附效率和固化稳定的机理,以此为污泥生物质炭在水污染控制方面的应用提供科学依据.利用实验室模拟法,研究不同反应时间、溶液初始pH和重金属浓度对生物炭吸附效果的影响,并运用四步萃取法分析生物炭上Zn的吸附形态.结果表明:①生物炭在4 h左右达到吸附平衡,吸附率呈先增加后平缓的趋势,最终吸附量S1S2S3;②溶液初始浓度为0～2 mmol·L~(-1)时Zn~(2+)的吸附量呈线性增长趋势,但随溶液浓度超过2 mmol·L~(-1)时吸附量开始趋于饱和;③3种不同粒径生物炭的水溶性组分Zn分别占总萃取量的1.70%、5.02%和7.47%,可交换态组分分别占25.27%、32.35%和27.29%,酸溶性组分分别占35.06%、38.63%和27.90%,非生物利用组分分别占37.97%、24.00%和37.34%.④污泥生物质炭的动力学吸附特征更符合准二级动力学吸附模型,单位质量的污泥生物质炭粒径越小吸附量越大;⑤污泥生物质炭的等温吸附特征更符合Langmuir模型,小粒径的生物质炭最大吸附量最优;⑥在酸性条件下随着pH的上升污泥生物质炭的吸附率在逐渐增加,碱性条件下吸附率的增加可能是形成锌的络合物沉淀导致的;⑦Zn的吸附形态以酸溶性和非生物利用态为主,水溶性占比较小.污泥生物质炭对Zn的吸附以化学吸附为主,S1吸附的Zn酸溶性组分和非生物利用组分占比最大,吸附效果较为稳定.     

造纸污泥生物炭对四环素的吸附特性及机理

以造纸污泥为原料,在限氧条件下,通过控制热解温度(300,500和700℃),制备生物炭(SBC300、SBC500和SBC700),比较了3种生物炭的基本理化性质;以四环素(TC)为目标污染物,研究了造纸污泥生物炭(SBC)对TC的吸附特性及机理.结果表明,SBC对TC的吸附以化学吸附为主,吸附平衡时,SBC300对TC的去除率最低,为38.8%,SBC700的去除率最高,为54.1%;同时Langmuir模型能更好地描述此吸附过程,且最大吸附量依次为SBC700(63.8mg/g)>SBC500(50.6mg/g)>SBC300(40.0mg/g).热力学分析表明,SBC对TC的吸附为自发且吸热的过程.pH值影响TC的存在形态及SBC的表面带电情况,对吸附过程有较大影响.通过吸附等温线分解法定量描述了表面吸附作用及分配作用的贡献率,结合FTIR分析,表明SBC对TC的吸附可能是分配作用、静电作用、氢键作用、π-πEDA作用及离子交换作用等共同作用的结果.     

不同热解条件下合成生物炭对铜离子的吸附动力学研究

为了揭示生物质炭对铜离子的吸附动力学特性,研究了以不同条件下合成的生物质炭作为吸附剂吸附铜离子的动力学过程.用生活中常见的玉米芯和龙爪槐为原材料,以限氧升温炭化法制备生物炭.表征了其结构和表面特征,又通过一系列批实验,研究不同热解温度(300、400、500、600和700℃)和不同热解时间(1、2、4、6、8 h)的玉米芯与龙爪槐生物炭对Cu~(2+)的吸附动力学特征与机理.结果表明,生物炭对Cu~(2+)的吸附动力学数据随时间的变化能很好的用准二级动力学方程进行拟合,可见生物炭对Cu~(2+)的吸附是复杂的,不是单一的单层吸附.同时用颗粒内扩散模型、班厄姆方程和Boyd外扩散模型进行分析,结果表明颗粒内扩散不是两种生物炭吸附铜离子的唯一速率控制步骤,液膜扩散和颗粒内扩散均在吸附过程中起到重要影响,且液膜扩散是主要的限速因素.