微米与纳米级竹炭的表征及其对土壤吸附菲的影响与机理

发布时间：2019-02-24 18:56

【摘要】：纳米技术发展日新月异,由于纳米材料的高活性和反应速率,其优越性能引起了公众及学术界的广泛关注。然而纳米材料的分散稳定性与性能存在极大的关联,因此如何提高纳米材料稳定性也是一重要议题。竹炭是一种由竹子烧制而成的富碳材料,具有多孔、高比表面、高稳定性等优点,日常生活中常做除臭剂与抑菌剂。考虑到竹炭性质稳定及纳米颗粒的优异性能,本文以微米和纳米级竹炭为对象,系统表征和比较研究其特性,从土壤类型、竹炭添加量和竹炭粒径三个方面揭示了微米和纳米级竹炭对菲吸附过程的影响和机理,同时对吸附过程中官能团的吸附容量进行了初步的探讨。得到的主要研究结果如下:(1)微米与纳米级竹炭的表征。两种竹炭含有相似的元素组成(高C、低H和低N)及其表面上的各种官能团(羧基、羟基等)。然而,纳米级竹炭(NBC)具有比微米级竹炭(MBC)更大的比表面积与总孔体积,并且由于颗粒间形成的中孔和大孔,相对高压下,NBC的吸附没有受限,更容易产生多层吸附。从XRD结果来看,由于烧制的温度与原材料的影响,它们都发生了一定的石墨化作用,且程度相近。13C核磁共振结果表明,与MBC相比,NBC的非质子化芳香碳含量更高,且平均稠环芳香碳个数和平均稠环连接的氧原子数更多。(2)液相体系中微米与纳米级竹炭对菲的吸附特征。受到粒径的影响,MBC和NBC之间的吸附系数存在较大差异。结果表明,NBC比MBC对菲的吸附非线性更明显,可能因为纳米尺度下NBC的表面异质性更强。根据系统表征结果,由于其较大的孔体积、表面积和非质子化的芳香族碳,NBC的吸附系数Kd(Ce=0.001Sw)达到1.24×106,是MBC的10倍,因而NBC对菲有更强的亲和力。与一些其他常见的生物炭和纳米材料相比,MBC对菲的吸附能力与文献中报道的生物炭以及其他纳米材料无较大差异,但是NBC的吸附能力显著提高。(3)土水体系中微米和纳米级竹炭对菲的吸附机制。两种竹炭对菲的吸附受到土壤性质、竹炭添加量以及粒径的影响。棕壤和砖红壤对菲的吸附能力差异较大,但添加NBC后,土壤之间吸附能力差距缩小,表明NBC对菲吸附能力较大,能够在一定程度上缓解土壤性质对菲吸附过程的影响。随着竹炭添加量升高,吸附量逐渐增加,并在1.0%添加量时达到最大。值得注意的是,虽然NBC可能与土壤组分发生作用并凝聚,但是NBC的性能并没有被复杂的土壤组分所削弱。添加0.2%NBC的土壤,仍比添加1%MBC的土壤有更强的菲吸附能力,表明在不影响吸附效果的前提下可以通过减小颗粒尺寸来减少土壤中竹炭添加量。与其他类型生物炭添加到土壤中的结果相比,添加MBC的土壤和文献中报道的结果相似,但添加NBC的土壤具备更强的菲吸附能力。因此,在一定程度上,NBC解决了土壤性质不同对吸附能力的影响和纳米材料稳定性这两个问题。(4)微米与纳米级竹炭表面羧基和羟基对菲的吸附容量。通过化学方式(酯化反应与羟醛缩合反应)对竹炭表面羧基及羟基进行掩蔽,使用高浓度线性模型模拟实验数据并计算两种官能团对菲的相对吸附容量(绝对容量占总容量百分比)与绝对吸附容量。结果表明两种化学掩蔽方法能够在不影响竹炭其他重要结构特性的基础上,对相应的羧基与羟基进行掩蔽。就相对吸附容量而言,MBC和NBC的两种官能团相对吸附容量之和约为10%,其他机制占约90%,表明对于两种竹炭,菲吸附过程中,羧基和羟基的吸附容量远小于其他机制的吸附容量,可能是由于两种竹炭含有丰富的芳香碳和孔隙,主要通过疏水作用和孔隙填充作用与菲结合。就绝对吸附容量而言,尽管SBC的吸附总容量远小于MBC和NBC,但是其两种官能团吸附菲的绝对容量大于MBC和NBC,说明对于不同种类生物炭,其相对吸附容量与绝对吸附容量存在差异,需同时关注。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ424;X53

【参考文献】