生物炭对水中邻苯二甲酸二甲酯的吸附研究

发布时间：2020-08-08 14:05

【摘要】：生物炭对水溶液中邻苯二甲酸酯类(phthalates acid esters,PAEs)有机污染物的吸附研究,可提高我国生态文明建设中农业废弃物的资源化利用率,同时为去除邻苯二甲酸酯提出绿色环保处理处置方法,具有良好的社会环境效益。在已有生物炭对邻苯二甲酸酯类的吸附研究中,一般吸附过程耗时较长,同时作为疏水性的生物炭在水溶液中的应用存在弊端,同时,目前对生物炭大量应用于修复水溶液中PAEs的效果与可行性仍未统一确定,本文在以农业废弃物为原材料的基础上,进行碱性预处理,提高生物炭的吸附效率。主要选用花生壳、莲杆为原料制备生物炭,用氢氧化钠溶液对原材料进行碱性预处理,以邻苯二甲酸二甲酯(DMP)为例,研究了炭化温度、底物浓度以及投加量对吸附的影响,并采用响应曲面优化法优化生物炭对DMP的吸附效果。同时通过对吸附动力学和吸附热力学的研究,并采用元素分析、拉曼光谱、傅里叶红外光谱等技术,深入探究了生物炭对DMP的吸附机理,主要结论如下:(1)通过比较花生壳、桉树皮、茶树籽、桐树籽、松树籽、莲杆分别在400℃、500℃、600℃、700℃、800℃条件下热解一小时得到的各生物质炭对DMP的去除效果发现,花生壳和莲杆制备的生物质炭对DMP的吸附效果较好,花生壳基生物质炭(PBC)的吸附率可以达到82.18%,吸附量达到123.28mg/g,莲杆生物质炭(LBC)的吸附率可以达到81.27%,吸附量达到121.9mg/g。(2)元素分析和拉曼光谱图表明,随着制备温度的升高,生物炭芳香官能团增加,纤维素的芳香性增大,极性降低,形成的炭化产物具有更强的疏水性,同时石墨化程度增大,更趋向于有序的炭结构,孔径和比表面积下降,会影响到生物质炭材料的吸附性能,导致600℃的生物炭比石墨化程度更高的800℃效果更好。(3)在单因素影响与响应优化实验中,考察了炭化温度、底物浓度以及投加量对吸附的影响,生物炭吸附DMP的最优条件为吸附剂投加量0.1g/50mL,即固液比为2:1g/L,未经处理的原材料制备的生物质炭在吸附反应24h基本达到吸附平衡,吸附效率为82.18%,而经过碱处理后的原材料制备的生物炭,在吸附DMP的过程中,2h即可达到反应平衡,同时吸附效率提高至98.47%,对原材料进行碱性预处理可大大提高生物炭对DMP的吸附效率。(4)吸附实验的进一步研究发现,生物炭对DMP的吸附动力学符合准二级动力学模型,这说明吸附过程主要受化学反应的机理控制。由于反应初始阶段,生物质炭不规则的表面结构和巨大的比表面积有利于快速吸附DMP分子,DMP分子首先很快被吸附到生物炭颗粒表面,并填充到生物炭的孔隙之中,使得PBC对DMP的吸附量迅速增加。随着吸附过程的深入,生物炭的孔隙逐渐被DMP分子占据,逐渐变小,DMP分子逐渐进入生物炭内部不易吸附的疏水位点,速度减缓,因而在吸附反应中后期,PBC对DMP的吸附率增长缓慢,直至达到吸附平衡状态。(5)红外光谱(FTIR)图说明高温炭化导致材料中大量芳构化结构和一些羧基、酮类、醛类及内酯类官能团的减少。吸附过程改变了苯环上取代基团的取代位置,同时苯环结构可能使分子内或分子间的氢键断裂,与高温裂解形成的生物炭石墨片层结构发生π-πEDA相互作用,从而形成较强的π-π共轭。
【学位授予单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X71;X703

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本文编号：2785665