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生物炭的制备及其对Pb（Ⅱ）的吸附特性研究

作　者: 安增莉
导　师: 薛秀玲
学　校: 华侨大学
专　业: 环境科学
关键词: 生物炭制备表征 Pb(Ⅱ) 吸附土壤
分类号: X53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

生物炭作为土壤添加剂不仅能够改善土壤环境,提高粮食产量,捕获温室气体,而且在消减污染物风险方面具有很好的应用前景。本文以有机废弃物水稻秸秆、猪粪、杉树树皮为原料,在300℃、400℃、500℃、600℃下制备生物炭,分别记录为RC300-600、PC300-PC600、WC300-WC600,利用SEM扫描电镜、EDX、红外(FTIR)光谱、Boehm滴定、比表面积及微孔分析等方法对其进行表征,采用经典的批量法研究生物炭在不同平衡时间、pH值、浓度、温度下对溶液中重金属污染物Pb(Ⅱ)的吸附特征,并将相关参数与典型的吸附材料活性炭进行比较,最后考察了生物炭施用对土壤的Pb(Ⅱ)吸附特征的影响,主要结果如下:不同温度下制备的生物炭物理化学性质不尽相同。其中,净产率、表面羧基、酚羟基等含氧官能团含量和丰富程度大小顺序基本为300℃>400℃>500℃>600℃,而灰分、pH值、C/O、N/O、比表面积等参数则为300℃<400℃<500℃<600℃。生物炭在300℃-500℃制备条件下产率较低,且理化性质变化较为明显,相对而言,在500℃-600℃之间制备的生物炭结构和性质比较稳定。不同生物炭的pH值总体表现为RC>PC>WC,除杉树树皮生物炭WC300、WC400外,多数生物炭为碱性。同一制备温度下不同来源的生物炭,净产率大小顺序为WC>RC>PC,比表面积基本是PC最大,RC次之,WC最小,表面官能团总量为PC>WC>RC,表面官能团丰富程度PC>RC>WC,RC和WC含有的孔隙主要以微孔和大孔为主,而PC主要以中孔和大孔为主。与生物炭相比,活性炭含有的表面官能团种类较少,表面官能团含量仅为300℃下制备的生物炭的70%-96%,但是活性炭的微孔、中孔结构更为丰富,BET比表面积和总孔容分别为生物炭的8-460倍和4-330倍。考察了Pb(Ⅱ)在生物炭和活性炭上的吸附特征。发现生物炭和活性炭对Pb(Ⅱ)的吸附动力学特征均符合Lagergren拟二级动力学方程,相关性系数在0.9389以上。生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附量随溶液pH值的升高逐渐增大,RC300、RC400、PC500的最佳吸附pH值为3.5,WC300的最佳pH值为5.5,其余的生物炭为6.5。拟合结果表明:样品AC、RC300、RC400在20℃、25℃、30℃时,WC500、WC600在25、30℃时,PC300、PC400在30℃时的吸附特征比较符合Langmuir等温吸附方程,其余样品的等温吸附数据可以用Freundlich等温吸附方程来描述。比较等温吸附方程拟合的吸附量qm和Kf可知,RC和WC的最佳制备温度为300℃,PC为500℃,各种炭材料吸附量大体呈现AC>RC>PC>WC。利用生物炭WC500作为土壤添加剂,进行Pb(Ⅱ)批量吸附对比实验,结果表明:土壤、WC500、加炭土壤对重金属Pb(Ⅱ)的吸附过程均符合拟二级反应动力学模型。以5%(W/W)的比例添加生物炭后,土壤对Pb(Ⅱ)的吸附域向高pH值移动,此时吸附等温线仍可以用Freundlich等温吸附方程来描述。虽然生物炭的Kf值仅为土壤的41%-59%,但土壤添加生物炭后Kf值增大2%-10%,吸附容量明显增大。进一步的热力学分析表明:20、25、30℃下,Pb(Ⅱ)离子在土壤、加炭土壤上的吸附均是自发的放热反应,吸附为熵减过程。而Pb(Ⅱ)离子在生物炭上的吸附反应是自发的吸热反应,吸附为熵增过程。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-20
  1.1 引言  12
  1.2 生物炭的概念和性质  12-13
  1.3 生物炭的制备方法  13-14
  1.4 生物炭对土壤的修复作用  14-17
    1.4.1 生物炭对土壤质量的影响  14
    1.4.2 生物炭对土壤中微生物活性的影响  14
    1.4.3 生物炭对植物生长的影响  14-15
    1.4.4 生物炭对土壤中污染物的消减作用  15-17
  1.5 生物炭对水中重金属的吸附能力  17-18
  1.6 我国农业有机废弃物利用现状  18-19
  1.7 研究的目的和意义  19
  1.8 研究的主要特色和创新点  19-20
第二章生物炭的制备及表征  20-38
  2.1 实验材料、仪器与设备  20-21
    2.1.1 实验材料及试剂  20
    2.1.2 实验仪器与设备  20-21
  2.2 实验方法  21-23
    2.2.1 生物炭的制备方法  21
    2.2.2 生物炭的表征  21-23
  2.3 实验结果及讨论  23-36
    2.3.1 生物炭的产率和灰分含量  23-24
    2.3.2 生物炭的pH 值  24
    2.3.3 元素分析  24-26
    2.3.4 表面物理结构分析  26-32
    2.3.5 表面化学性质分析  32-36
  2.4 本章小结  36-38
第三章生物炭对溶液中 Pb（Ⅱ）的吸附性质研究  38-59
  3.1 实验材料、仪器与设备  38
    3.1.1 试剂  38
    3.1.2 实验仪器与设备  38
  3.2 实验方法  38-40
    3.2.1 吸附动力学实验  38-39
    3.2.2 溶液初始pH 值对吸附的影响  39-40
    3.2.3 等温吸附  40
  3.3 实验结果与讨论  40-57
    3.3.1 水稻秸秆生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附性质  40-45
    3.3.2 猪粪生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附性质  45-50
    3.3.3 杉树树皮生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附性质  50-54
    3.3.4 活性炭对Pb（Ⅱ）的吸附性质  54-57
  3.4 本章小结  57-59
第四章生物炭的输入对土壤吸附 Pb（Ⅱ）性质的影响  59-70
  4.1 前言  59
  4.2 实验材料与方法  59-61
    4.2.1 实验材料  59-60
    4.2.2 实验方法  60-61
  4.3 实验结果与讨论  61-68
    4.3.1 生物炭的施入对土壤吸附Pb（Ⅱ）动力学的影响  61-63
    4.3.2 生物炭的施入对土壤吸附Pb（Ⅱ）吸附域的影响  63-64
    4.3.3 生物炭的施入对土壤吸附Pb（Ⅱ）等温吸附的影响  64-66
    4.3.4 土壤对Pb（Ⅱ）吸附过程的热力学分析  66-68
  4.4 本章小结  68-70
第五章结论与展望  70-73
  5.1 研究结论  70-71
  5.2 展望  71-73
参考文献  73-78
攻读硕士学位期间发表论文情况  78-79
致谢  79-80

生物炭的制备及其对Pb（Ⅱ）的吸附特性研究

内容摘要

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