改性生物炭的制备及其对重金属的吸附作用

发布时间：2020-06-13 01:55

【摘要】：生物炭是指生物质(以农业废弃物为主)在缺氧环境下,经中低温热解(通常700℃)制得的一种稳定的、难溶的、高度芳香化的富碳固体材料。它因制备方法简单、原材料来源广、成本低廉,且对水中重金属有良好的吸附性能,而得到海内外研究人员的广泛关注。增强生物炭对污染物的吸附能力,可以使生物炭具有更好的利用价值。本论文以生物质松木屑为原材料热解制备原始生物炭,为了增强吸附性,通过KMnO_4和(CH_3COO)_2Mg溶液后处理原始生物炭制得相应的氧化锰改性生物炭和氧化镁改性生物炭;利用CeCl_3预处理生物质原料、然后进行共热解的方法制得氧化铈改性生物炭;研究了各种改性剂对原始生物炭结构与性质的影响,以及所得生物炭对水溶液中Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附热力学与动力学性质。本论文主要有以下研究内容:1.锰改性松木炭的制备及其对重金属离子的吸附作用以松木木屑生物质为原材料,500℃厌氧条件下先制备了原始松木炭(PSC),然后依次经不同浓度的高锰酸钾溶液等体积浸渍、陈化、干燥、限氧热解等步骤处理,得到锰改性松木炭(Mn-PSC),以考察MnO_x负载量对改性生物炭结构及吸附性能的影响。结果表明:(1)经过高猛酸钾改性,锰元素均匀分布在原始生物炭的表面,Mn-PSC芳香化程度和炭化程度提高,有较稳定的结构,极性降低;MnO_x是以无定形的形态存在于原始松木炭表面;松木炭表面均有丰富的官能团。(2)高锰酸钾改性松木炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附量明显大于原始松木炭,由此说明高锰酸钾改性后大大提高了松木炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附能力;(3)Mn-PSC对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)三种重金属离子的的吸附均符合Langmuir等温吸附模型和遵循准二级动力学方程,平衡吸附量分别为137.90 mg/g、24.69 mg/g和28.76 mg/g;(4)Mn-PSC对三种重金属的吸附能力顺序均为Pb~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+)。2.镁改性松木炭的制备及其对重金属离子的吸附作用以松木木屑生物质为原材料,500℃厌氧条件下制备Mg-PSC改性生物炭。研究了镁改性对原始生物炭的影响以及对水溶液中Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附效果的影响。结果表明:(1)松木炭为不规则大小的固体颗粒组成,而镁的改性并未明显改变它的形貌;MgO_x是以无定形的形态存在于原始松木炭表面;Mg-PSC的O/C值的增大亲水性增强、(O+N)/C摩尔比增大,表面极性增强,极性官能团的含量大大增加;Mg-PSC较PSC的比表面积增大了4倍。(2)镁改性松木炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附量明显大于原始松木炭,由此说明镁改性后大大提高了松木炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)的吸附能力;(3)Mg-PSC对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)三种重金属离子的的吸附均符合Langmuir等温吸附模型和遵循准二级动力学方程,平衡吸附量分别为8.80 mg/g、8.94 mg/g和6.12 mg/g;(4)Mg-PSC对三种重金属的吸附能力顺序均为Cd~(2+)Pb~(2+)Cu~(2+)。3.铈改性松木炭的制备及其对Cd~(2+)的吸附作用采用了先用氯化铈溶液等体积浸渍松木屑生物质原材料(PS),再将浸渍的松木屑(Ce-PS)热解生成铈改性松木炭Ce-PSC;研究了Ce-PSC在不同的温度下对Cd~(2+)吸附。结果如下:形貌并未因为铈的改性而明显改变;生物炭的炭化水平升高、表面极性减小;表面有铈氧化物晶型。在25℃、35℃、45℃三个温度下,Ce-PSC松木炭对水溶液中重金属离子Cd~(2+)的等温吸附结果表明:Langmuir方程都可较好地描述Cd~(2+)与Ce-PSC松木炭的吸附作用;三个温度下Ce-PSC对Cd~(2+)的饱和吸附量分别为9.85 mg/g、10.60mg/g和10.77 mg/g,由此证明,此吸附行为为吸热反应。经多种表征表明,本研究中的松木炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)三种重金属离子的的吸附吸附机理很可能是络合作用和离子交换共同作用。
【图文】：

示意图,生物炭,机理,吸附机理

1.3 生物炭或改性生物炭对水溶液中重金属吸附机理研究生物炭吸附水溶液中的重金属离子，会因生物炭材料的不同、所吸附的重金属离子不同或吸附的条件有所改变，其吸附效果和吸附机理也大不相同。据大量研究表明，目前主要有五种吸附机理被提出，即物理吸附、沉淀作用、静电吸附、络合作用和离子交换[57-59]。示意图见图 1-1。生物炭或改性生物炭吸附水溶液中的重金属离子，往往不是一种吸附机理，而是几种吸附机理共同作用的结果。

松木,生物炭,原子灰,吸附位

表 2-4 生物炭的灰分与元素组成质量组成（%）原子灰分 C H O N H/C 0.64 79.56 4.05 15.74 0.01 5.09 7.6 75.03 3.40 13.94 0.00 4.57 物炭的形貌特征和图（b）分别为原始松木炭 PSC 和锰改性松木炭 Mn-PSC 放图中可以看出，松木炭是由大小不规则的固体颗粒组成，而它的形貌产生明显的改变。图（c）为 Mn-PSC 生物炭上选择(d)、(e) 和(f) 分别为锰改性松木炭 mapping 图中 C 元素分布素分布图。由图可见，MnOx均匀负载在 PSC 上，，未出现明增加吸附位，更好地提高了生物炭对重金属离子的吸附能力。(a)(b)
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ424;X703

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