生物炭改性及其对污染物吸附与降解行为的研究进展

生物炭因其原料来源广泛、含碳量丰富、成本低等特点被广泛应用于污染环境修复领域.生物炭能否高效去除污染物的关键点在于生物炭所具备的理化性质.生物炭改性能促使生物炭理化性质改变(如比表面积增加、灰分含量降低、丰富表面官能团等),从而促进或抑制其对污染物吸附与降解行为.然而改性生物炭对污染物的吸附或降解行为受改性条件(物理、...     

磷酸改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO3)复合材料对双酚A的吸附

本研究选取油菜秸秆为原料,在600℃下热解得到生物炭和磷酸改性生物炭,并用共沉淀法制备3种改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料.采用批量吸附法研究不同pH、吸附时间和不同生物炭/LDHs配比条件下复合材料对双酚A的吸附特性,借助XRD、FTIR和BET等测试手段探究了复合材料吸附双酚A的机制.结果表明,改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料吸附双酚A的吸附平衡时间为4 h,符合准二级动力学方程(R~20.99);复合材料对双酚A的吸附效果稍逊于改性生物炭,改性生物炭在复合材料中所占比重越大,吸附效果越好.当pH值在5.0—9.0范围内变化时,改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料对双酚A的吸附量呈下降趋势,且在pH=9.0时达到最小值.等温吸附模型数据表明,复合材料用Freundlich等温吸附模型效果更好.通过XRD、BET、FTIR测试研究发现,由于LDHs占据了生物炭表面的活性位点,致使生物炭与双酚A之间的相互作用减弱,降低了复合物的吸附能力.本研究结果初步阐释了改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料吸附双酚A的机理,为生物炭-LDHs复合材料处理水体中有机污染物的应用提供了借鉴和参考.     

镁改性水生植物生物炭吸附水中的微囊藻毒素-LR

利用水生植物苦草和狐尾藻制备镁改性生物炭,并对生物炭的比表面积、孔隙度、元素组成、pH_pzc、FTIR、XPS、XRD进行表征,开展吸附水中微囊藻毒素-LR(MC-LR)的研究.结果表明,与未改性生物炭相比,镁改性生物炭具有较大的比表面积和中孔孔容,其表面负载有MgO和Mg(OH)₂,且具有更多的含氧基团和更高的pH_pzc.以2.0 mol·L^-1的MgCl₂浸渍制备的镁改性生物炭对MC-LR的去除效果最佳.准一级、准二级动力学、Elovich和颗粒内扩散模型都能在不同程度上较好地描述吸附过程.吸附等温线符合Langmuir和Freundlich模型,且较高的温度有利于对MC-LR的吸附,而较高的pH和较大分子量的DOM会抑制吸附.颗粒内扩散、中孔填充是吸附的重要机制,还可能存在氢键、静电吸引和π⁺-π EDA相互作用力.本研究为水生植物残体资源化利用提供新的思路.     

镁改性芦苇生物炭对水环境中磷酸盐的吸附特性

为了实现湿地水生植物资源化利用,加强对水环境中磷污染的控制,以中国东北地区湿地典型水生植物芦苇(Phragmitesaustralis)为生物质材料,在700℃条件下制备成生物炭,用六水合氯化镁作为改性剂对生物炭进行改性,通过SEM和能谱分析对芦苇生物炭改性前后进行表征,发现未改性的芦苇生物炭的电镜呈明显的孔隙结构,孔壁薄,孔隙排列有序,Mg元素含量仅为0.17%;而镁改性芦苇生物炭的孔隙负载了一些针状结构,且Mg元素的含量达到5.04%。说明镁离子成功负载在生物炭的表面。通过SEM、EDS、FTIR、XRD等技术对镁改性芦苇生物炭吸附磷酸盐前后进行表征,发现磷酸盐主要以Mg HPO_4和Mg_3(PO_4)_2的形态吸附在镁改性生物炭上。吸附动力学实验结果表明,镁改性生物炭对磷酸盐的吸附过程符合准二级动力学模型,吸附机理是由物理吸附和化学吸附共同作用的。通过颗粒内扩散模型的分析发现吸附速率由表面吸附、液膜扩散和颗粒内扩散等共同决定。镁改性生物炭对磷酸盐的吸附热力学可以用Langmuir方程描述(R~2=0.938 6),表明该吸附行为主要是单分子层吸附。共存离子实验表明,HCO_3~-和CO_3~(2-)能明显抑制镁改性生物炭对磷酸盐的吸附。经过3次解吸,镁改性生物炭吸附后的磷可全部释放。当温度为308 K,改性剂浓度为2 mol·L~(-1),改性生物炭投加量为2.0 g·L~(-1),p H为7.0时,吸附效果最佳,吸附量可达到2.37 mg·g~(-1)。     

改性水生植物生物炭对低浓度硝态氮的吸附特性

为有效去除富营养化水体中硝态氮,以再力花(Thalia dealbata)、香蒲(Typha orientalis)和芦苇(Phragmites australis)3种水生植物为原材料制备生物炭,并采用氯化铁改性后进行吸附试验,探索改性水生植物生物炭对水体中低浓度硝态氮的吸附效果。结果表明:铁改性水生植物生物炭表面负载了大量Fe3+形成Fe—O基团,大幅提升了其对硝态氮的吸附性能,其中铁改性香蒲生物炭平衡吸附量最大,达到1.747 mg·g~(-1)。3种改性水生植物生物炭对低浓度硝态氮的吸附符合准二级动力学和Freundlich模型,吸附主要为生物炭表面非均一多分子层化学吸附。溶液初始pH值在3.0~9.0范围内对铁改性水生植物生物炭吸附硝态氮能力影响较小,吸附最适合pH为中性。因此,铁改性水生植物生物炭能有效去除水体中低浓度硝态氮,同时实现了水生植物资源化,具有良好的应用前景。     

浓度效应对卡马西平在生物炭上的吸附动力学影响

为了解人工合成药物在生物炭上的吸附动力学特征及其浓度效应的影响,选择卡马西平(CBZ)为目标污染物。探讨不同初始质量浓度(2、4、25、50 mg·L~(-1))在不同裂解温度(200、300、500℃)下制备的生物炭上的吸附动力学特征。结果表明,双室一级动力学模型可以精确地描述CBZ在生物炭上的吸附动力学特征。CBZ的快室吸附对总体吸附的贡献随初始浓度的增大而减小,而慢室吸附贡献则增大。π-π作用可能对CBZ的吸附贡献较大。孔隙填充可以描述慢室吸附过程,可能是吸附速率的控制环节。     

腐殖酸负载对萘和1-萘酚在生物炭上吸附动力学的影响

进入环境的生物炭对有机污染物的吸附过程受到普遍共存的溶解性有机质的影响.本研究将两种腐殖酸组分负载在以玉米秸秆为原料、不同炭化温度下(200、400、600℃)制得的生物炭上,考察极性和非极性有机污染物萘和1-萘酚在原始和腐殖酸负载生物炭上的吸附动力学,分别应用拟一级、拟二级和双室一级3种动力学模型对实验数据进行拟合.结果表明,拟二级和双室一级动力学模型均能较好地描述动力学吸附过程.腐殖酸负载对生物炭上萘和1-萘酚的吸附动力学有显著影响,使得平衡吸附量(Q_e)下降,而表观吸附速率提高.致密的芳香碳组分和纳米级孔隙主要对萘和1-萘酚在生物炭上的慢吸附单元起作用,腐殖酸负载降低了生物炭的芳香化程度和孔隙度,慢吸附对总吸附的贡献(f_slow)降低.生物炭内部有机碳的致密性降低,使得萘和1-萘酚分子容易扩散进入生物炭颗粒内部,加之表面积和孔隙度减少,缩短吸附平衡时间,两种化合物的慢吸附速率常数(k_slow)均提高.负载腐殖酸后,两种化合物的快吸附速率常数(k_fast)的变化却不同.腐殖酸负载向生物炭表面引入...     

不同改性生物炭功能结构特征及其对铵氮吸附的影响

为研发高性能铵氮(NH_4~+-N)吸附材料,削减水体NH_4~+-N排放负荷,提高农田土壤NH_4~+-N养分持留力,采用3种改性方法制备铁改性生物炭(B1)、酸碱联合改性生物炭(B2)铁氧化改性生物炭(B3)。通过吸附实验对比研究不同改性生物炭对NH_4~+-N的吸附效应,并结合改性前后和吸附前后生物炭组成与结构特征对改性生物炭的NH_4~+-N吸附机制进行探讨。结果表明,(1)铁氧化改性生物炭对NH_4~+-N的吸附作用最强,相对于未改性生物炭(B),其NH_4~+-N饱和吸附量提高了23.3%-24.1%;铁改性生物炭次之,NH_4~+-N饱和吸附量较未改性炭提高了14.1%-14.3%;酸碱联合改性生物炭NH_4~+-N饱和吸附量最小。(2)改性生物炭对NH_4~+-N的吸附由单分子层化学吸附的稳定吸附机制主导,同时存在非均一的多层物理吸附过程。(3)改性后导致的C-O官能团的增加是NH_4~+-N吸附量增加的主要原因,其次Fe-O官能团也参与了NH_4~+-N吸附。因此,采用氧化物对生物炭进行改性,提升生物炭中有氧官能团含量(包括有机和无机有氧官能团)是提高NH_4~+-N吸附效应的有效途径。该研究结果可为制备和筛选高性能NH_4~+-N吸附材料,提高生物炭在土水系统NH_4~+-N的去除效应提供理论基础。     

改性稻壳生物炭对水中Cd2+的吸附性能研究

为提高生物炭对水中Cd2+的吸附去除性能,以BC1和BC22种稻壳生物炭为基础材料,分别采用NaOH和FeCl3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Cd2+的吸附性能.结果表明,对于50 mg·L-1 Cd2+溶液,当生物炭投加量为1 g...     

2种改性生物炭对水体硝态氮的吸附特性

以2种水生植物香蒲(Typha angustifolia)和芦苇(Phragmites communis)制备的FeCl_3改性生物炭为吸附剂,硝酸钾溶液为吸附质,研究生物炭对水体硝态氮的去除。研究了2种改性生物炭的吸附动力学与吸附等温线特性,结合红外光谱分析(IR)、扫描电镜分析(SEM)和元素分析对2种改性与未改性生物炭进行表征,并探究生物炭投加量、吸附时间、吸附质初始浓度、吸附质pH值等因素对2种改性生物炭吸附硝态氮的影响。结果表明,2种改性生物炭对硝态氮的吸附均符合伪二级吸附动力学方程。FeCl_3改性香蒲生物炭(XP-Fe)和FeCl_3改性芦苇生物炭(LW-Fe)的最大吸附量qm分别为15.55和10.63 mg·g~(-1)。吸附质pH值降低,有利于XP-Fe和LW-Fe对硝态氮的去除。XP-Fe对硝态氮的吸附性能强于LW-Fe。     

铁基改性椰壳生物炭对砷的吸附效果及机制研究

目前针对生物炭修复重金属污染的水体、土壤方面的研究虽然很多,但是对其吸附污染物的机制研究却较少。为了提高生物炭对砷的吸附能力,以农业废弃物椰壳为原料,在300℃下利用硫酸及硫酸铁制备铁基改性生物炭,采用SEM-EDS、FTIR、XRD及XPS等手段对椰壳生物炭(CSB)、硫酸改性生物炭(SCSB)以及铁基改性生物炭(SFCSB)表面结构与特征进行表征,通过pH值影响实验、等温吸附实验和动力学吸附实验对CSB、SCSB及SFCSB 3种生物炭吸附砷(As)的效果进行比较。结果表明,硫酸及硫酸铁共同改性使生物炭的比表面积增大了1.56倍,表面官能团新增亚甲基(–CH_3)和羧基(–COO),SFCSB表面的Fe吸附As(Ⅴ)后在Fe2p能级生成了Fe_2O_3和FeOOH,证明铁基改性成功。SFCSB对As(Ⅴ)的吸附符合Elovich动力学模型及Langmiur等温吸附模型,当pH=5时,SFCSB对砷的最大吸附量为14.65 mg·g~(-1),与未改性的CSB相比吸附量提高了238倍。SFCSB对As(Ⅴ)的吸附方式为物理化学吸附,吸附机制包括生物炭表面正电荷与阴离子之间的静电吸引、O–H–As氢键结合、砷氧阴离子与铁氧化物的配位体效应和表面羟基官能团络合等。研究表明,铁基改性椰壳生物炭是一种高效的除砷吸附剂。该研究从农业废弃物利用和环境修复的角度出发,为制备更高效、能深度净化污染的生物炭提供参考,也为吸附机制的探讨提供理论依据。     

邻硝基苯酚在有机改性凹凸棒土上的吸附行为

应用阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(HDTMA)、溴代十六烷基吡啶(CPB)、四乙基溴化铵(TEA)和四丁基溴化铵(TBA)分别对凹凸棒石原土进行改性,研究有机改性凹凸棒土对水中邻硝基苯酚的吸附作用.结果表明,四种改性土对水中邻硝基苯酚的吸附在较短的时间内即基本达到平衡,且对水中邻硝基苯酚的吸附去除率与改性土的有机碳含量呈明显的正相关,同样条件下其去除能力大小的顺序是CPB改性土＞HDTMA改性土＞TBA改性土＞TEA改性土;当体系pH值大于邻硝基苯酚的pKa时,CPB改性土对邻硝基苯酚的吸附能力明显增强; CPB改性土对邻硝基苯酚的吸附过程更适合用Henry吸附等温线进行描述,该吸附过程的主要机制是分配作用;CPB改性土对邻硝基苯酚的吸附过程是吸热反应,该吸附过程中无化学键力和配位基交换力等强作用力;阴离子表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的存在抑制了CPB改性土对邻硝基苯酚的吸附.     

生物炭吸附有机污染物的研究进展

生物炭(biochar)是指生物质在缺氧条件下热裂解产生的一种产物.由于其精致的孔隙结构和独特的表面化学性质,对环境介质中的有机污染物有超强的吸附能力,进而影响污染物的迁移与归宿.近年来生物炭对有机污染物的吸附特性及机理研究已成为环境科学领域的研究热点之一.本文从生物炭的典型性状、吸附有机污染物的机理、影响因素以及对土壤中有机污染物生物可给性的影响等方面进行了综述,并提出生物炭吸附有机污染物未来的研究方向.     

三维多孔生物炭吸附剂的制备及其对菲的吸附行为

以生活中常见的丝瓜络为原材料,在氮气保护和不同温度(600、700、800、900℃)的条件下热解制备了三维多孔丝瓜络生物炭(LSBC600、LSBC700、LSBC800、LSBC900)。表征了丝瓜络生物炭的理化性质,通过动力学吸附实验和等温线吸附实验研究了不同热解温度条件下制备的丝瓜络生物炭对菲的吸附动力学特征和吸附等温线特征,探讨了可能的吸附机理,评估三维多孔生物炭对菲的去除能力,为水生态系统保护和饮用水安全提供科学依据。结果表明,热解温度会影响生物炭的表面官能团组成,进而影响其芳香性。丝瓜络生物炭呈现多管束堆叠的三维多孔结构,随着热解温度的升高,挥发性物质减少,丝瓜络生物炭的表面变得粗糙,比表面积增大,芳香结构增加;LSBC900的比表面积达到了467 m²·g^-1。吸附动力学结果说明,丝瓜络生物炭对菲的吸附是复杂和多阶段的,主导吸附速率的是液膜扩散过程,其次是颗粒内扩散过程。在600-900℃范围内,随着热解温度的升高,丝瓜络生物炭对菲的平衡吸附量升高,吸附速率加快。吸附等温线结果说明,热解温度升高可以提高丝瓜络生物炭对菲的吸附容...     

改性生物炭对小白菜生长和磷素吸收的影响

华南地区蔬菜地土壤磷极易被固定,磷的生物有效性极低。生物炭作为一种土壤改良剂,能够改善土壤的理化性质,提高磷的生物有效性,促进植物磷素吸收和生长。采用田间小区试验,设置5个改性生物炭施用水平:F0(0)、F1(2 250kg·hm~(-2))、F2(4 500 kg·hm~(-2))、F3(6 750 kg·hm~(-2))、F4(11 250 kg·hm~(-2)),研究改性生物炭对小白菜生长和磷素吸收的影响,以期为改性生物炭在蔬菜保质保量生产上的应用提供理论依据。结果表明:在施用改性生物炭处理中,土壤有机质含量均呈增加趋势,增加幅度为3.28%～17.98%,仅F4(11 250kg·hm~(-2))处理与其他处理相比差异达显著水平(F=4.28,P=0.028);改性生物炭可以提高小白菜产量,提高幅度为6.92%～32.04%;改性生物炭的施用可以降低硝酸盐含量,与对照相比,F2(4 500 kg·hm~(-2))和F3(6 750 kg·hm~(-2))处理小白菜硝酸盐含量显著降低,分别降低幅度14.86%和9.92%;改性生物炭的施用可以提高维生素C和可溶性糖含量,提高小白菜的吸磷量,其中F3(6 750 kg·hm~(-2))和F4(11 250 kg·hm~(-2))处理提高幅度最大,且与对照差异显著(F=11.71,P=0.001)。总体而言,改性生物炭可以提高蔬菜的产量,改善蔬菜品质,提高蔬菜对磷的吸收。     

碱改性向日葵秸秆生物炭对多环芳烃菲吸附特性研究

为了实现农业秸秆废弃物的资源化利用,加强对生态环境中多环芳烃污染的控制,选取农业废弃物向日葵(Helianthus annuus)秸秆为原料,在不同温度条件下(300、500、700℃)烧制生物炭(BC300、BC500、BC700),同时在500℃条件下制备KOH改性生物炭(A-BC500),采用元素分析仪、比表面积分析仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶红外光谱仪分别对其元素组成、比表面积、表观形貌、物相结构和官能团组成进行表征,并采用动力学吸附实验和等温吸附实验研究不同生物炭对多环芳烃菲的吸附性能。结果表明,炭化温度及碱改性均会影响生物炭的元素组成,进而改变其芳香性、亲水性和极性。向日葵秸秆生物炭的炭质骨架结构随着炭化温度升高而逐步发生变形和坍塌;与BC500相比,A-BC500的表面结构粗糙程度增加且比表面积增加至529.14 m²·g^-1。生物炭对菲的动力学吸附曲线符合准二级动力学模型(R²>0.99),较BC500、A-BC500对菲的平衡吸附量提高了12%,且准二级动力学吸附速率常数提高了约2.3...