秸秆生物炭对有机染料的吸附作用及机制

研究了裂解温度分别为500℃和700℃的两种水稻秸秆生物炭(分别标记为W500、W700)对有机染料日落黄和亚甲基蓝的吸附作用及机制.同时,针对实际印染废水的特点,考察了反应温度、p H和硫酸盐对吸附去除效率的影响.结果显示,生物炭对两种染料的吸附均符合准二级动力学方程,等温吸附曲线均可用Freundlich模型较好地描述,但其对两种染料的吸附机制显著不同.生物炭对阳离子染料亚甲基蓝的吸附主要通过离子交换作用,随着生物炭裂解温度升高,其极性基团减少,离子交换作用减弱.生物炭对阴离子染料日落黄的吸附则主要通过生物炭芳香结构与日落黄分子芳环之间的π-π相互作用,随裂解温度升高,生物炭芳香化程度增大,π-π作用随之增大;生物炭对两种染料的吸附去除效率均随反应温度的升高(5~45℃)而增大,且在3p H11、硫酸盐浓度25~2500 mg·L~(-1)的变化范围内,吸附去除效率均保持稳定.     

两种生物炭的制备及其对水溶液中四环素去除的影响因素

以中药材三桠苦药渣和玉米秸秆为原料,分别在400、600和800℃下热解制备生物炭,并研究其对水溶液中四环素的去除及其影响因素。利用元素分析、傅里叶红外光谱(FT-IR)、比表面积分析(BET)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对制备的生物炭进行表征;并探究热解温度、生物炭添加量、初始溶液浓度、吸附时间、溶液pH、离子强度、环境温度等因素对生物炭去除水溶液中四环素的影响;通过吸附动力学和等温吸附平衡探究两种原料制备的生物炭对溶液中四环素的吸附行为。结果表明,生物炭对四环素的吸附性能随制备温度的升高而增加,800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)具有最佳吸附性能。生物炭添加量、溶液pH、离子强度、吸附时间对800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)和玉米秸秆生物炭(CSBC800)吸附水溶液中四环素影响较大,吸附时环境温度对吸附的影响大小依赖于抗生素质量浓度。EIBC800和CSBC800对四环素的吸附行为均符合准二级动力学方程(R2分别为0.9540和0.8355),等温吸附符合Freundlich方程(R2分别在0.8991~0.9580和0.9736~0.9980之间),主要吸附过程为化学吸附,且吸附过程均是自发吸热的过程。通过以两种原料所制备的生物炭吸附性能对比,EIBC800吸附抗生素的能力比CSBC800更强,说明中药渣在制备生物炭去除水环境中的抗生素具有较好的应用前景。     

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.     

羊粪生物炭对水体中诺氟沙星的吸附特性

以羊粪为原料分别在350、450、550、650℃条件下制备生物炭,通过元素分析、BET-N_2、电镜扫描及FTIR表征了不同热解温度下羊粪生物炭的结构特征,并采用序批实验研究了pH、生物炭投加量、热解温度、初始浓度等因素对羊粪生物炭吸附水体中诺氟沙星(NOR)的影响及吸附机制.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的比表面积、总孔容、平均孔径增大,芳香性和稳定性也有所提高.羊粪生物炭吸附NOR的最佳初始pH为6.0,吸附在180 min左右达到平衡,采用准二级动力学模型能更好地拟合动力学数据(R~20.96),吸附速率由表面吸附和颗粒内扩散共同控制.等温吸附拟合发现,Langmuir模型能较好地描述NOR在羊粪生物炭上的吸附行为(R~20.93),吸附过程均为有利吸附,且可能与氢键和π-π键作用密切相关,4种热解温度下生物炭的吸附能力大小为:650℃550℃450℃350℃.吸附过程中ΔGθ0、ΔHθ0、ΔSθ0,表明羊粪生物炭对NOR的吸附是自发、吸热及熵增加的过程.650℃和550℃条件下制备的羊粪生物炭可作为水体中NOR的优势吸附材料.     

两种生物炭的制备及其对水溶液中四环素去除的影响因素

以中药材三桠苦药渣和玉米秸秆为原料,分别在400、600和800℃下热解制备生物炭,并研究其对水溶液中四环素的去除及其影响因素.利用元素分析、傅里叶红外光谱(FT-IR)、比表面积分析(BET)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等方法对制备的生物炭进行表征;并探究热解温度、生物炭添加量、初始溶液浓度、吸附时间、溶液pH、离子强度、环境温度等因素对生物炭去除水溶液中四环素的影响;通过吸附动力学和等温吸附平衡探究两种原料制备的生物炭对溶液中四环素的吸附行为.结果表明,生物炭对四环素的吸附性能随制备温度的升高而增加,800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)具有最佳吸附性能.生物炭添加量、溶液pH、离子强度、吸附时间对800℃制备的三桠苦药渣生物炭(EIBC800)和玉米秸秆生物炭(CSBC800)吸附水溶液中四环素影响较大,吸附时环境温度对吸附的影响大小依赖于抗生素质量浓度.EIBC800和CSBC800对四环素的吸附行为均符合准二级动力学方程(R~2分别为0. 954 0和0. 835 5),等温吸附符合Freundlich方程(R~2分别在0. 899 1～0. 957 9和0. 973 6～0. 994 6之间),主要吸附过程为化学吸附,且吸附过程均是自发吸热的过程.通过以两种原料所制备的生物炭吸附性能对比,EIBC800吸附抗生素的能力比CSBC800更强,说明中药渣在制备生物炭去除水环境中的抗生素具有较好的应用前景.     

不同热解温度制备的玉米芯生物炭对对硝基苯酚的吸附作用

以玉米芯为原料,采用限氧热解法制备了不同温度(200~600℃)的玉米芯生物炭,研究玉米芯生物炭对水中对硝基苯酚(PNP)的吸附行为,并对其吸附机制进行了探讨.结果表明,热解温度对生物炭的物理化学性质影响较大,随着热解温度的升高,含氢、氧官能团逐渐消失,生物炭的极性降低,芳香性增强.等温吸附曲线可以被Freundlich模型很好地描述,生物炭的性质对其吸附PNP有着重要影响,Freundlich模型回归参数(n和KF)与玉米芯生物炭的芳香性、亲水性和极性指数[H/C、O/C、(O+N)/C]呈良好的线性关系.定量描述了表面吸附和分配作用的相对贡献,PNP在低温(200℃)制备生物炭上的吸附主要为分配作用,而高温(300~600℃)制备的生物炭对PNP的吸附为π—π电子受体-供体作用和孔填充效应为主的表面吸附机制.     

不同生物质制备的生物炭对菲的吸附特性研究

以不同来源的生物质(荔枝树枝、小麦和水稻秸秆)为原料,在限氧条件下制备生物炭,对其进行表征,并进行吸附实验研究生物炭对菲的吸附特性。结果表明:生物炭的结构和理化性质随着生物质来源和热解温度的不同而呈现出明显的差异;荔枝树枝生物炭对菲的吸附能力(qe)和吸附亲和力(Koc)要明显大于小麦秸秆和水稻秸秆制备所得的生物炭,说明木本植物来源的生物炭与草本植物来源的生物炭在结构性质上有着明显的差异;不同温度(300,400,500,600℃)制备的荔枝树枝生物炭对菲的吸附研究表明,随着热解温度的升高,生物炭对菲的吸附能力(qe)和吸附亲和力(Koc)明显增强,吸附等温线的线性程度降低。生物炭吸附菲的可能机制有疏水效应、孔隙填充效应以及π-π共轭反应等。     

生物炭结构性质对氨氮的吸附特性影响

氨抑制现象在富含有机氮底物的沼气工程中普遍存在,采用生物炭吸附法可固定发酵液中氨氮.为探究生物炭理化结构与氨氮吸附特性之间的相关关系,在不同热解温度(350、450和550℃)下制备以玉米秸秆、稻壳为原料的生物炭,通过元素分析、FTIR和BET等分析生物炭结构及其理化性质,并结合批式吸附实验,研究不同理化性质生物炭对氨氮的吸附特性影响.结果表明随着热解温度的升高,生物炭中碳及灰分含量增多; 450℃制备的玉米秸秆生物炭(CS450)与550℃制备的稻壳生物炭(RH550)对氨氮的吸附分别遵循准二级和准一级动力学模型.Freundlich吸附模型能更好地描述CS450和RH550生物炭对氨氮的等温吸附过程;玉米秸秆炭吸附量与其表面官能团间具有显著相关性;而与稻壳炭的吸附量相关性最显著的为生物炭的比表面积,其次是表面官能团,最后是灰分.其中,RH550吸附性能最好,最大吸附量为12. 16 mg·g~(-1).     

芦苇秸秆生物炭对水中菲和1,1-二氯乙烯的吸附特性

在500℃热解温度下自制芦苇秸秆生物炭吸附剂,研究生物炭对水中两种典型有机污染物菲(PHE)和1,1-二氯乙烯(1,1-DCE)的吸附特性,探讨其吸附机制,并考察溶液p H和生物炭投加量对吸附效果的影响.结果表明,生物炭对PHE和1,1-DCE的吸附分别在60 min和480 min时达到平衡,最大去除率分别为81.87%和90.18%,两者的吸附动力学规律均符合准二级动力学方程,其中PHE的二级动力学吸附速率大于1,1-DCE,两者的吸附过程均由膜扩散和颗粒内扩散共同控制,且后者是主要限速步骤;两种有机污染物的等温吸附曲线均可用Freundlich方程描述,且生物炭对1,1-DCE的吸附亲和力强于PHE;PHE和1,1-DCE在生物炭上的吸附机制包括表面吸附作用和分配作用,且以表面吸附作用为主,其中1,1-DCE的表面吸附作用大于PHE,而其分配作用小于PHE,说明污染物性质中分子体积和相对极性是影响总体吸附的主要因素;红外图谱显示,含氧、含氢官能团及π—π相互作用对生物炭吸附两种有机污染物有重要贡献;溶液p H对生物炭吸附PHE和1,1-DCE的影响较小,而生物炭投加量从5增至50 mg时,PHE和1,1-DCE的平衡吸附量分别减少6.78倍和2.18倍,去除率分别提高20.21%和15.78%.     

不同裂解温度对水稻秸秆制备生物炭及其特性的影响

以农业废弃物水稻秸秆为原料,采用限氧裂解法不同温度(300℃、400℃、500℃、600℃、700℃)下制备生物炭,利用SEM电镜扫描、比表面测定、傅里叶红外光谱、元素分析等现代分析手段对生物炭的结构、形貌、比表面积、孔径、表面官能团和元素含量等理化特性指标进行分析表征.结果表明:随着热解温度的升高,产率和挥发分比例下降,灰分含量升高,p H值增大,含碳量上升,N、H、O含量下降,H/C、O/C、(O+N)/C下降,这表明生物炭芳香性增强,亲水性和极性减弱.生物炭具有丰富的孔隙结构,随着温度升高,孔隙数量增加,孔结构发育更加完全.稻秆生物炭孔结构主要为中孔,且随着热解温度的升高,平均孔径变小,比表面积有所增大,在600℃达到最大.红外光谱结果显示,随着裂解温度升高,水稻秸秆中烷烃基缺失,甲基(—CH3)和亚甲基(—CH2)逐渐消失,而芳香族化合物增加,芳香化程度增强.