水热改性农业废弃生物质炭的制备及其吸附性能的研究

发布时间：2020-11-19 00:06

　　 蛋鸡和玉米作为我国农村地区主要的禽畜养殖和作物种植对象,年产量巨大,给当地农民带来巨大经济效益的同时,也产生了大量未经有效利用的农业废弃生物质——蛋鸡粪便(CM)和玉米芯(CC)。生物质中含有大量碳元素,是碳材料理想的前驱体,以其为原料开发的高性能碳材料是目前该领域研究人员的重要研究课题。本文以CM和CC的混合物为原料,制备热解生物炭前驱体(BPC),并用尿素对其水热改性,得到水热改性热解生物炭(HMPC),借助EA、FTIR和SEM等手段对BPC和HMPC的物化性质进行了表征分析,利用HMPC为吸附剂,系统研究了对水体中重金属Cr(VI)和有机染料甲基橙(MO)的吸附性能。主要研究结论如下:(1)通过考察热解温度(600、700、800、900、1000℃)和原料配比(全鸡粪、3:1(CM:CC=3:1)、1:1、1:3、全玉米芯)对于BPC物化性质的影响发现,高温和低CC含量的条件有利于形成多孔结构的“硬质碳”。综合产率和预吸附Cr(VI)和MO结果,选取热解温度为900℃,原料配比为1:3,含碳量为70.28%的热解生物炭为最佳前驱体,能够为后续HMPC的制备提供碳骨架结构。(2)对最佳条件制备得到的BPC进行水热改性,通过正交实验考察了水热温度、水热时间和固液比(生物炭质量(g)和尿素水溶液体积(mL)比)对HMPC的吸附性能影响,优化了HMPC的制备条件。结果表明,HMPC的最佳制备条件为:水热温度150℃,反应时间1 h,固液比1:10。与未改性的BPC相比,比表面积和孔径结构变化较小,但元素组成、表面电负性和官能团有较大变化:其中,氮元素含量由未改性的1.38%增加到3.06%,表明HMPC的表面新增了大量的氨基官能团。(3)静态吸附实验结果表明,在搅拌速率为50~250 rpm的范围内,HMPC对Cr(VI)和MO的吸附去除率均随搅拌速率的增加而增加;酸性条件更有利于HMPC对Cr(VI)和MO的吸附;对于两者的吸附容量均随HMPC投加量的增加而减少,吸附去除率则先增加后趋于稳定;在初始Cr(VI)和MO浓度均为60~250 mg·L~(-1)时,吸附去除率随浓度的增加而逐渐降低,吸附容量则最终维持在一定范围不再大幅度变化,最终结果表明,在温度25℃,Cr(VI)和MO溶液初始pH值分别为2.0和6.5,搅拌速率为150 rpm,HMPC投加量为1 g·L~(-1)的条件下,对初始浓度为100 mg·L~(-1)的Cr(VI)和MO的吸附容量分别为56.26 mg·g~(-1)和73.31 mg·g~(-1)。(4)HMPC对Cr(VI)和MO的吸附较好地遵循准二级动力学模型。Langmuir模型更好地拟合HMPC对Cr(VI)和MO的吸附行为。热力学函数分析表明,HMPC对于Cr(VI)和MO的吸附为自发且吸热的,温度升高有利于吸附。经历了5个吸附——超声波再生循环后的再生效率仍能达到75%以上。结合前期的表征结果,探究得到HMPC对Cr(VI)和MO的吸附机制主要包括化学吸附和静电引力吸附。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X71
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 农业废弃生物质研究现状
        1.1.1 农业废弃生物质
        1.1.2 农业废弃生物质资源化途径
    1.2 生物质热化学转化技术简介
        1.2.1 燃烧技术
        1.2.2 热裂解技术
        1.2.3 水热技术
    1.3 生物质炭的制备及改性方法
        1.3.1 生物质炭的制备方法
        1.3.2 生物炭的改性方法
    1.4 生物炭的环境应用研究进展
        1.4.1 土壤改良和修复
        1.4.2 减缓温室效应
        1.4.3 吸附去除环境污染物质
    1.5 课题研究背景、意义与内容
        1.5.1 课题研究背景及意义
        1.5.2 课题研究内容
2 实验试剂、仪器及方法
    2.1 实验试剂及仪器
        2.1.1 实验试剂
        2.1.2 实验仪器
    2.2 实验方法
    2.3 分析方法
        2.3.1 Cr（VI）浓度测定分析方法
        2.3.2 甲基橙染料浓度测定分析方法
        2.3.3 产物检验及现代仪器表征
3 BPC的制备及基本物化性质分析
    3.1 概述
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 热解温度与原料配比对BPC产率的影响研究
        3.2.2 热解温度与原料配比对BPC元素组成的影响研究
        3.2.3 生物质热重分析
        3.2.4 热解温度与原料配比对BPC表面官能团种类的影响研究
        3.2.5 热解温度与原料配比对BPC表面形貌的影响研究
        3.2.6 BPC预吸附实验结果
    3.3 本章小结
4 HMPC的制备及表征分析
    4.1 概述
    4.2 结果与讨论
        4.2.1 HMPC制备的正交优化结果
        4.2.2 水热改性前后吸附效果对比
        4.2.3 HMPC的元素分析
        4.2.4 HMPC的傅里叶红外光谱分析
        4.2.5 HMPC的Zeta电位分析
        4.2.6 HMPC的比表面积及孔径分析
        4.2.7 HMPC的热重分析
        4.2.8 HMPC的扫描电子显微镜分析
    4.3 本章小结
5 HMPC对Cr（VI）及MO的吸附性能综合评价
    5.1 概述
    5.2 结果与讨论
        5.2.1 搅拌速率对吸附效果的影响
        5.2.2 溶液初始pH对吸附效果的影响
        5.2.3 Cr（VI）和MO初始浓度对吸附效果的影响
        5.2.4 HMPC投加量对吸附效果的影响
        5.2.5 HMPC吸附Cr（VI）和MO的动力学特性
        5.2.6 HMPC吸附Cr（VI）和MO的热力学特性
        5.2.7 超声波再生及循环使用寿命结果
        5.2.8 吸附机理探讨
    5.3 本章小结
结论
展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2889402