热解温度和生物质类型对生物炭吸附U（Ⅵ）性能的影响
发布时间：2021-07-17 13:14
以稻壳、竹子和杉木屑为原料,分别在不同热解温度下热解制备生物炭（DBC、ZBC和MBC）。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）表征其理化性质,并通过批量吸附实验研究生物炭对U（Ⅵ）的吸附特性与机理。结果表明:随着热解温度升高,3种生物炭pH值和灰分增加,产率下降,且ZBC与DBC表面更加粗糙,孔状形貌更加明显,芳香结构趋于完善,含氧官能团减少,无机元素占比增加,碳纤维结晶度降低;准二级吸附动力学模型能更好地拟合3种生物炭吸附U（Ⅵ）的过程（R22>0.96）,在25℃、pH值4、固液比为1∶1（g∶L）的条件下3 h可达到吸附平衡;3种生物炭的吸附等温线拟合更符合Langmuir模型,以化学吸附为主,ZBC700对U（Ⅵ）的理论最大吸附量为18.55 mg/g;随着热解温度的升高,ZBC和DBC吸附U（Ⅵ）的能力增强,阳离子-π和离子交换作用贡献增加。MBC吸附U（Ⅵ）的能力与热解温度关系不明显,相同热解温度,ZBC和DBC的吸附量高于MBC。
【文章来源】：生物质化学工程. 2020,54(05)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
不同热解温度生物炭SEM图
不同热解温度生物炭XRD图见图4。由图4可知,DBC与ZBC在2θ=22°附近都出现了一个宽而强的峰,该峰与生物炭纤维相对应,表明碳纤维基质是一种无定形结构[24],该现象可描述为生物质低相对分子质量化合物的有机成分的分解,导致生物炭的无定形性质[25]。ZBC700在22°附近的结晶峰较ZBC300强度变弱,且峰位置向更高角度移动,表明ZBC碳纤维中的晶体结构随热解温度升高而逐渐丧失,最终导致结晶度降低[26]。MBC500在22°附近并未出现结晶峰,表明MBC碳纤维中的晶体结构完全缺失。DBC300的2θ为26.3°和31.08°的衍射峰分别对应(203)和(601)结晶面,表明DBC300中存在结晶度良好的SiO2晶体;DBC700在2θ为29.118°和33.266°处存在弱衍射峰,分别对应(200)和(111)晶面,表明存在硅酸盐晶体,DBC存在硅酸盐物质与EDS分析一致。ZBC700在 42° 附近出现宽峰,该处对应生物炭无序炭微晶的(100)晶面,然而ZBC300在该位置未出现特征峰,这是由于随着热解温度升高,竹子内部原子序逐渐得到分解而展开,进一步促进涡轮层晶结构的形成与演化[26]。MBC500在2θ=26.281°出现强衍射峰,该处对应(211)晶面,为氧化锰晶体。2.2 吸附动力学
吸附动力学描述了溶质的吸收速率,它决定了所需的平衡时间和吸附过程的最佳接触时间,是实验设计和操作控制的重要方面[5]。吸附时间对不同热解温度生物炭吸附U(VI)的影响见图5。由图可知, MBC、ZBC和DBC在120 min基本达到吸附平衡,3种生物炭在120 min时对U(VI)的吸附量都可达到180 min时吸附量的95%以上,不同的吸附速率是因为吸附剂理化性质存在差异[27]。所有的生物炭对U(VI)的吸附都呈现前期吸附速率迅速上升,后期吸附速率放缓直至吸附饱和的特征。这是由于在吸附的初始阶段,配位作用和瞬时电子转移致使生物炭表面的吸附位点逐渐饱和,表面吸附结束后,生物炭吸附U(VI)的速率主要取决于铀离子从吸附剂外部进入内部位点的内扩散过程[28]。通过准一级和准二级吸附动力学方程拟合得到的吸附动力学参数见表4。由于拟合参数R2值都大于0.9,故准一级吸附动力学方程和准二级吸附动力学方程都能较好地拟合不同热解温度生物炭吸附U(VI)的过程,但整体上R22(0.961～0.999)>R12(0.917～0.993)。这说明准二级动力学模型拟合度更高,所以生物炭吸附U(VI)是以化学反应为主导的多步骤吸附过程,而不是简单的物理吸附[29]。由表4可知,MBC的参数k2值随热解温度的升高而降低,DBC的k2值随热解温度的升高先降低后增加,而ZBC的k2值随热解温度的升高而增大。这说明MBC吸附U(VI)的速率与热解温度呈负相关,ZBC吸附U(VI)的速率与热解温度呈正相关,中间热解温度的DBC吸附U(VI)的速率较低。这是因为ZBC含氧官能团相对丰富,随着热解温度的升高,官能团未完全破坏,且孔隙结构增加,活性位点增多,从而促进了ZBC对U(VI)的快速吸附[30];而MBC由于O元素较少,含氧官能团欠缺,热解温度的升高加速了官能团的破坏,因而降低了MBC吸附U(VI)的速率;DBC灰分含量高,官能团丰富,低温热解可充分保留官能团,高温热解可充分释放盐基离子,均有利于吸附过程,但中间温度热解既破坏了含氧官能团,又无法充分发挥盐基离子的离子交换作用,因而不利于吸附速率的提升。
【参考文献】：
期刊论文
[1]羟甲基化木质素/纤维素气凝胶粒子的制备、表征及吸附性能[J]. 王佳楠,羿颖,边勇军,马媛媛,刘志明. 生物质化学工程. 2020(01)
[2]Synthesis of novel nanomaterials and their application in efficient removal of radionuclides[J]. Xiangxue Wang,Long Chen,Lin Wang,Qiaohui Fan,Duoqiang Pan,Jiaxing Li,Fangting Chi,Yi Xie,Shujun Yu,Chengliang Xiao,Feng Luo,Jun Wang,Xiaolin Wang,Changlun Chen,Wangsuo Wu,Weiqun Shi,Shuao Wang,Xiangke Wang. Science China（Chemistry）. 2019(08)
[3]动植物来源生物炭对水体中Cd2+的吸附特性[J]. 申磊,荆延德,孙小银,郝郝,曹永强. 生态与农村环境学报. 2018(04)
[4]热解温度对污泥基生物炭结构特性及对重金属吸附性能的影响[J]. 彭成法,肖汀璇,李志建. 环境科学研究. 2017(10)
[5]生物质炭化技术研究进展[J]. 孟凡彬,孟军. 生物质化学工程. 2016(06)
[6]裂解温度对稻秆与稻壳制备生物炭表面官能团的影响[J]. 高凯芳,简敏菲,余厚平,陈朴青,谢永璨,于培德. 环境化学. 2016(08)
[7]不同热解条件下合成生物炭对铜离子的吸附动力学研究[J]. 常春,王胜利,郭景阳,刘天琪,赵莹莹. 环境科学学报. 2016(07)
[8]不同热解温度生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附特性[J]. 王震宇,刘国成,Monica Xing,李锋民,郑浩. 环境科学. 2014(12)
[9]某铀尾矿库土壤核素污染与优势植物累积特征[J]. 聂小琴,丁德馨,李广悦,高斌,吴彦琼,胡南,刘玉龙. 环境科学研究. 2010(06)
[10]铀标准溶液的配制及标定[J]. 文世荪. 安徽预防医学杂志. 1997(04)
硕士论文
[1]不同生物质制备的高温生物炭对水中芳香性有机污染物的吸附机制及规律[D]. 姜媛.浙江大学 2017
本文编号：3288244
【文章来源】：生物质化学工程. 2020,54(05)北大核心
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
不同热解温度生物炭SEM图
不同热解温度生物炭XRD图见图4。由图4可知,DBC与ZBC在2θ=22°附近都出现了一个宽而强的峰,该峰与生物炭纤维相对应,表明碳纤维基质是一种无定形结构[24],该现象可描述为生物质低相对分子质量化合物的有机成分的分解,导致生物炭的无定形性质[25]。ZBC700在22°附近的结晶峰较ZBC300强度变弱,且峰位置向更高角度移动,表明ZBC碳纤维中的晶体结构随热解温度升高而逐渐丧失,最终导致结晶度降低[26]。MBC500在22°附近并未出现结晶峰,表明MBC碳纤维中的晶体结构完全缺失。DBC300的2θ为26.3°和31.08°的衍射峰分别对应(203)和(601)结晶面,表明DBC300中存在结晶度良好的SiO2晶体;DBC700在2θ为29.118°和33.266°处存在弱衍射峰,分别对应(200)和(111)晶面,表明存在硅酸盐晶体,DBC存在硅酸盐物质与EDS分析一致。ZBC700在 42° 附近出现宽峰,该处对应生物炭无序炭微晶的(100)晶面,然而ZBC300在该位置未出现特征峰,这是由于随着热解温度升高,竹子内部原子序逐渐得到分解而展开,进一步促进涡轮层晶结构的形成与演化[26]。MBC500在2θ=26.281°出现强衍射峰,该处对应(211)晶面,为氧化锰晶体。2.2 吸附动力学
吸附动力学描述了溶质的吸收速率,它决定了所需的平衡时间和吸附过程的最佳接触时间,是实验设计和操作控制的重要方面[5]。吸附时间对不同热解温度生物炭吸附U(VI)的影响见图5。由图可知, MBC、ZBC和DBC在120 min基本达到吸附平衡,3种生物炭在120 min时对U(VI)的吸附量都可达到180 min时吸附量的95%以上,不同的吸附速率是因为吸附剂理化性质存在差异[27]。所有的生物炭对U(VI)的吸附都呈现前期吸附速率迅速上升,后期吸附速率放缓直至吸附饱和的特征。这是由于在吸附的初始阶段,配位作用和瞬时电子转移致使生物炭表面的吸附位点逐渐饱和,表面吸附结束后,生物炭吸附U(VI)的速率主要取决于铀离子从吸附剂外部进入内部位点的内扩散过程[28]。通过准一级和准二级吸附动力学方程拟合得到的吸附动力学参数见表4。由于拟合参数R2值都大于0.9,故准一级吸附动力学方程和准二级吸附动力学方程都能较好地拟合不同热解温度生物炭吸附U(VI)的过程,但整体上R22(0.961～0.999)>R12(0.917～0.993)。这说明准二级动力学模型拟合度更高,所以生物炭吸附U(VI)是以化学反应为主导的多步骤吸附过程,而不是简单的物理吸附[29]。由表4可知,MBC的参数k2值随热解温度的升高而降低,DBC的k2值随热解温度的升高先降低后增加,而ZBC的k2值随热解温度的升高而增大。这说明MBC吸附U(VI)的速率与热解温度呈负相关,ZBC吸附U(VI)的速率与热解温度呈正相关,中间热解温度的DBC吸附U(VI)的速率较低。这是因为ZBC含氧官能团相对丰富,随着热解温度的升高,官能团未完全破坏,且孔隙结构增加,活性位点增多,从而促进了ZBC对U(VI)的快速吸附[30];而MBC由于O元素较少,含氧官能团欠缺,热解温度的升高加速了官能团的破坏,因而降低了MBC吸附U(VI)的速率;DBC灰分含量高,官能团丰富,低温热解可充分保留官能团,高温热解可充分释放盐基离子,均有利于吸附过程,但中间温度热解既破坏了含氧官能团,又无法充分发挥盐基离子的离子交换作用,因而不利于吸附速率的提升。
【参考文献】：
期刊论文
[1]羟甲基化木质素/纤维素气凝胶粒子的制备、表征及吸附性能[J]. 王佳楠,羿颖,边勇军,马媛媛,刘志明. 生物质化学工程. 2020(01)
[2]Synthesis of novel nanomaterials and their application in efficient removal of radionuclides[J]. Xiangxue Wang,Long Chen,Lin Wang,Qiaohui Fan,Duoqiang Pan,Jiaxing Li,Fangting Chi,Yi Xie,Shujun Yu,Chengliang Xiao,Feng Luo,Jun Wang,Xiaolin Wang,Changlun Chen,Wangsuo Wu,Weiqun Shi,Shuao Wang,Xiangke Wang. Science China（Chemistry）. 2019(08)
[3]动植物来源生物炭对水体中Cd2+的吸附特性[J]. 申磊,荆延德,孙小银,郝郝,曹永强. 生态与农村环境学报. 2018(04)
[4]热解温度对污泥基生物炭结构特性及对重金属吸附性能的影响[J]. 彭成法,肖汀璇,李志建. 环境科学研究. 2017(10)
[5]生物质炭化技术研究进展[J]. 孟凡彬,孟军. 生物质化学工程. 2016(06)
[6]裂解温度对稻秆与稻壳制备生物炭表面官能团的影响[J]. 高凯芳,简敏菲,余厚平,陈朴青,谢永璨,于培德. 环境化学. 2016(08)
[7]不同热解条件下合成生物炭对铜离子的吸附动力学研究[J]. 常春,王胜利,郭景阳,刘天琪,赵莹莹. 环境科学学报. 2016(07)
[8]不同热解温度生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附特性[J]. 王震宇,刘国成,Monica Xing,李锋民,郑浩. 环境科学. 2014(12)
[9]某铀尾矿库土壤核素污染与优势植物累积特征[J]. 聂小琴,丁德馨,李广悦,高斌,吴彦琼,胡南,刘玉龙. 环境科学研究. 2010(06)
[10]铀标准溶液的配制及标定[J]. 文世荪. 安徽预防医学杂志. 1997(04)
硕士论文
[1]不同生物质制备的高温生物炭对水中芳香性有机污染物的吸附机制及规律[D]. 姜媛.浙江大学 2017
本文编号：3288244
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