生物炭的多级结构特征、构效关系及其吸附作用研究
发布时间：2021-05-11 15:26
生物炭是指生物质材料在限氧或无氧条件下热解得到的富碳固体。它在能源生产、缓解气候变化、提高土壤固碳、增加土壤肥力和土壤污染阻控等方面有重要的应用前景。本文在综述了生物炭的结构特征、环境应用及其构效关系的基础上,重点介绍了生物炭在气候、环境、农业、材料四大领域的以固碳、吸附剂、肥料、碳基载体材料为代表的应用情况。提出需要从元素、相态、表面到分子结构等不同尺度阐明生物炭的结构特征,并逐步建立生物炭结构与应用的定量构效关系,特别是在生物炭的吸附应用研究中,吸附质和吸附剂结构均会对其吸附行为产生重要影响。因此,针对当前生物炭研究中元素研究类别单一（关注碳质组分较多）、表面官能团变化机理不明、分子结构不清、定量构效关系不足、实际环境样品中不同结构有机污染物的吸附行为复杂、高吸附性能生物炭结构调控及作用机理仍未阐明等问题,本文开展了一系列的研究。选取水稻结构和松针为前体物质,制备了一系列不同裂解温度的生物炭,结合硅溶出实验、红外光谱、X射线粉末衍射、扫描电镜观察和能谱分析等表征了水稻秸秆生物炭中的碳和硅的形态、形貌和溶出随裂解温度的变化情况;通过滴定实验分析了生物炭表面官能团随裂解温度的变化机理;...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：239 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 生物炭的结构特征及其应用研究进展
1.1 引言
1.2 生物炭的结构特征
1.2.1 元素组成特征
1.2.1.1 碳元素
1.2.1.2 硅元素
1.2.1.3 氢元素
1.2.1.4 氧元素
1.2.1.5 氮元素
1.2.1.6 磷元素
1.2.1.7 其他元素
1.2.2 相态结构特征
1.2.2.1 有机相
1.2.2.2 无机相
1.2.3 表面结构特征
1.2.3.1 表面官能团
1.2.3.2 生物炭的表面电性
1.2.3.3 生物炭的表面自由基
1.2.4 分子结构特征
1.2.4.1 可萃取小分子
1.2.4.2 骨架大分子结构
1.3 生物炭的应用
1.3.1 土壤固碳
1.3.2 土壤肥料
1.3.3 污染物的阻控去除
1.3.4 碳基载体材料
1.4 小结与展望
1.5 论文的研究思路
第二章 不同裂解温度水稻秸秆生物炭的碳-硅形貌、形态转变及其溶出特征研究
2.1 实验部分
2.1.1 实验材料与仪器
2.1.2 富硅生物炭的制备
2.1.3 水稻秸秆生物炭中不同硅形态的测量
2.1.3.1 溶解态硅
2.1.3.2 活性硅
2.1.3.3 有效硅
2.1.3.4 无定型态硅
2.1.3.5 总硅
2.1.3.6 硅钼蓝比色法
2.1.4 硅的溶解动力学以及连续浸提实验
2.1.5 结构表征
2.1.5.1 FT-IR分析
2.1.5.2 XRD分析
2.1.5.3 SEM+EDX分析
2.2 结果与讨论
2.2.1 碳的形态转化
2.2.2 硅的形态转化
2.2.3 硅的溶出特征
2.2.4 C-Si相互作用关系及其对硅溶出的影响
2.2.5 环境应用与展望
2.3 本章小结
第三章 不同裂解温度下生物炭表面官能团的演变规律研究
3.1 实验部分
3.1.1 实验材料与仪器
3.1.2 生物炭的制备
3.1.3 生物炭灰分测定及元素分析
3.1.4 酸碱滴定实验
3.1.5 表面官能团及其酸碱滴定理论
3.2 结果与讨论
3.2.1 生物炭灰分及其元素分析
3.2.2 拟合方法验证
3.2.3 不同裂解温度下生物炭的滴定曲线
3.2.4 生物炭的质子吸收情况分析
3.2.5 生物炭酸碱官能团的划分
3.2.6 不同裂解温度生物炭的酸碱滴定官能团变化
3.2.7 生物炭的缓冲范围研究
3.3 本章小结
第四章 高温裂解生物炭碳质组分精细结构及芳香性原子簇研究
4.1 实验部分
4.1.1 实验材料与仪器
4.1.2 去硅去矿物生物炭的制备
4.1.3 生物炭溶剂分散实验及其透射电镜观察
4.1.4 生物炭结构表征
4.2 结果与讨论
4.2.1 溶剂分散实验效果
4.2.2 透射电镜观察
4.2.3 生物炭芳香性原子簇结构分析
4.2.4 生物炭光电子能谱(XPS)、Raman光谱分析与飞行时间质谱分析
4.2.5 生物炭的四级结构模型
4.3 应用展望
4.4 本章小结
第五章 基于H/C原子比的生物炭结构-吸附性能的预测模型及应用
5.1 实验部分
5.1.1 数据收集
5.1.2 生物炭制备过程和元素分析
5.1.3 收集数据和处理
5.2 结果与讨论
5.2.1 热解温度与H/C原子比的定量关系
5.2.2 H/C原子比与Freundlich参数的定量关系
5.2.3 基于H/C原子比的生物炭芳香性原子簇模型
5.2.4 生物炭H/C原子比与对芳香性有机污染物的表面吸附容量之间的关系
5.2.5 芳香性原子簇预测模型与观察
5.3 本章小结
第六章 生物炭/活性炭对AFFF污染的地下水中全氟/聚氟类污染物的吸附作用及预测模型
6.1 实验部分
6.1.1 实验材料与仪器
6.1.2 吸附剂
6.1.3 不同粒径大小的F300的制备
6.1.4 松针生物炭的制备
6.1.5 AFFF污染的地下水参数测定
6.1.6 PFAS的定性和定量分析
6.1.7 固液比预实验
6.1.8 吸附剂的筛选与吸附动力学实验
6.1.9 动力学模型拟合
6.1.10 GAC系统模拟计算
6.2 结果与讨论
6.2.1 吸附剂遴选
6.2.2 F300吸附的20d-K_d值
6.2.3 F300吸附动力学
6.2.4 动力学模型计算
6.2.5 GAC系统模拟
6.2.6 预测新发现的PFASs的去除效果
6.3 本章小结
第七章 类石墨烯基生物炭的制备、结构特征及其对有机污染物的超高吸附作用
7.1 实验部分
7.1.1 实验材料与仪器
7.1.2 FZS900的制备
7.1.3 对NAPH和PHE的吸附动力学
7.1.4 NAPH和PHE的吸附等温线
7.1.5 1-NAPH和MB的吸附等温线
7.1.6 甲苯气体的吸附试验
7.1.7 吸附等温线的数据分析及单层理论吸附量的计算
7.1.8 结构表征
7.2 结果与讨论
7.2.1 FZS900的形貌分析
7.2.2 FZS900对有机污染物的超高吸附能力
7.2.3 共吸附机制探讨
7.2.4 FZS900的吸附等温线分析
7.3 本章小结
第八章 研究结论、创新点及展望
8.1 研究结论
8.1.1 水稻秸秆生物炭的碳-硅形貌、形态转变及其溶出特征
8.1.2 不同裂解温度下生物炭表面官能团的变化规律
8.1.3 高裂解温度生物炭的芳香性原子簇的结构观察
8.1.4 基于H/C原子比的生物炭结构-吸附效应关系
8.1.5 生物炭/活性炭对AFFF污染的地下水中的全氟/聚氟类污染物的吸附去除
8.1.6 超高吸附材料的构建及其对有机污染物吸附作用机理
8.2 创新点
8.3 展望
参考文献
个人简历及攻读博士学位期间论文和获奖情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同烧制温度下玉米秸秆生物炭的性质及对萘的吸附性能[J]. 黄华,王雅雄,唐景春,朱文英. 环境科学. 2014(05)
[2]中国生物炭研究及其产业发展趋势[J]. 孟军,陈温福. 沈阳农业大学学报(社会科学版). 2013(01)
[3]水稻秸秆生物碳的结构特征及其对有机污染物的吸附性能[J]. 陈再明,陈宝梁,周丹丹. 环境科学学报. 2013(01)
[4]添加生物质炭对红壤水稻土有机碳矿化和微生物生物量的影响[J]. 匡崇婷,江春玉,李忠佩,胡锋. 土壤. 2012(04)
[5]水稻秸秆生物碳对重金属Pb2+的吸附作用及影响因素[J]. 陈再明,方远,徐义亮,陈宝梁. 环境科学学报. 2012(04)
[6]滇池底泥制备的生物炭对菲的吸附-解吸[J]. 陈宁,吴敏,许菲,陈会会,王震宇,宋秀丽,张迪,宁平,潘波. 环境化学. 2011(12)
[7]水稻秸秆生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附特性[J]. 安增莉,侯艳伟,蔡超,薛秀玲. 环境化学. 2011(11)
[8]中国生物质原料资源[J]. 石元春. 中国工程科学. 2011(02)
[9]秸秆生物质炭土地利用的环境效益研究[J]. 花莉,张成,马宏瑞,余旺. 生态环境学报. 2010(10)
[10]Interaction mechanisms of organic contaminants with burned straw ash charcoal[J]. Wenhai Huang,Baoliang Chen Department of Environmental Science,Zhejiang University,Hangzhou 310028,China. Journal of Environmental Sciences. 2010(10)
本文编号：3181646
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：239 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 生物炭的结构特征及其应用研究进展
1.1 引言
1.2 生物炭的结构特征
1.2.1 元素组成特征
1.2.1.1 碳元素
1.2.1.2 硅元素
1.2.1.3 氢元素
1.2.1.4 氧元素
1.2.1.5 氮元素
1.2.1.6 磷元素
1.2.1.7 其他元素
1.2.2 相态结构特征
1.2.2.1 有机相
1.2.2.2 无机相
1.2.3 表面结构特征
1.2.3.1 表面官能团
1.2.3.2 生物炭的表面电性
1.2.3.3 生物炭的表面自由基
1.2.4 分子结构特征
1.2.4.1 可萃取小分子
1.2.4.2 骨架大分子结构
1.3 生物炭的应用
1.3.1 土壤固碳
1.3.2 土壤肥料
1.3.3 污染物的阻控去除
1.3.4 碳基载体材料
1.4 小结与展望
1.5 论文的研究思路
第二章 不同裂解温度水稻秸秆生物炭的碳-硅形貌、形态转变及其溶出特征研究
2.1 实验部分
2.1.1 实验材料与仪器
2.1.2 富硅生物炭的制备
2.1.3 水稻秸秆生物炭中不同硅形态的测量
2.1.3.1 溶解态硅
2.1.3.2 活性硅
2.1.3.3 有效硅
2.1.3.4 无定型态硅
2.1.3.5 总硅
2.1.3.6 硅钼蓝比色法
2.1.4 硅的溶解动力学以及连续浸提实验
2.1.5 结构表征
2.1.5.1 FT-IR分析
2.1.5.2 XRD分析
2.1.5.3 SEM+EDX分析
2.2 结果与讨论
2.2.1 碳的形态转化
2.2.2 硅的形态转化
2.2.3 硅的溶出特征
2.2.4 C-Si相互作用关系及其对硅溶出的影响
2.2.5 环境应用与展望
2.3 本章小结
第三章 不同裂解温度下生物炭表面官能团的演变规律研究
3.1 实验部分
3.1.1 实验材料与仪器
3.1.2 生物炭的制备
3.1.3 生物炭灰分测定及元素分析
3.1.4 酸碱滴定实验
3.1.5 表面官能团及其酸碱滴定理论
3.2 结果与讨论
3.2.1 生物炭灰分及其元素分析
3.2.2 拟合方法验证
3.2.3 不同裂解温度下生物炭的滴定曲线
3.2.4 生物炭的质子吸收情况分析
3.2.5 生物炭酸碱官能团的划分
3.2.6 不同裂解温度生物炭的酸碱滴定官能团变化
3.2.7 生物炭的缓冲范围研究
3.3 本章小结
第四章 高温裂解生物炭碳质组分精细结构及芳香性原子簇研究
4.1 实验部分
4.1.1 实验材料与仪器
4.1.2 去硅去矿物生物炭的制备
4.1.3 生物炭溶剂分散实验及其透射电镜观察
4.1.4 生物炭结构表征
4.2 结果与讨论
4.2.1 溶剂分散实验效果
4.2.2 透射电镜观察
4.2.3 生物炭芳香性原子簇结构分析
4.2.4 生物炭光电子能谱(XPS)、Raman光谱分析与飞行时间质谱分析
4.2.5 生物炭的四级结构模型
4.3 应用展望
4.4 本章小结
第五章 基于H/C原子比的生物炭结构-吸附性能的预测模型及应用
5.1 实验部分
5.1.1 数据收集
5.1.2 生物炭制备过程和元素分析
5.1.3 收集数据和处理
5.2 结果与讨论
5.2.1 热解温度与H/C原子比的定量关系
5.2.2 H/C原子比与Freundlich参数的定量关系
5.2.3 基于H/C原子比的生物炭芳香性原子簇模型
5.2.4 生物炭H/C原子比与对芳香性有机污染物的表面吸附容量之间的关系
5.2.5 芳香性原子簇预测模型与观察
5.3 本章小结
第六章 生物炭/活性炭对AFFF污染的地下水中全氟/聚氟类污染物的吸附作用及预测模型
6.1 实验部分
6.1.1 实验材料与仪器
6.1.2 吸附剂
6.1.3 不同粒径大小的F300的制备
6.1.4 松针生物炭的制备
6.1.5 AFFF污染的地下水参数测定
6.1.6 PFAS的定性和定量分析
6.1.7 固液比预实验
6.1.8 吸附剂的筛选与吸附动力学实验
6.1.9 动力学模型拟合
6.1.10 GAC系统模拟计算
6.2 结果与讨论
6.2.1 吸附剂遴选
6.2.2 F300吸附的20d-K_d值
6.2.3 F300吸附动力学
6.2.4 动力学模型计算
6.2.5 GAC系统模拟
6.2.6 预测新发现的PFASs的去除效果
6.3 本章小结
第七章 类石墨烯基生物炭的制备、结构特征及其对有机污染物的超高吸附作用
7.1 实验部分
7.1.1 实验材料与仪器
7.1.2 FZS900的制备
7.1.3 对NAPH和PHE的吸附动力学
7.1.4 NAPH和PHE的吸附等温线
7.1.5 1-NAPH和MB的吸附等温线
7.1.6 甲苯气体的吸附试验
7.1.7 吸附等温线的数据分析及单层理论吸附量的计算
7.1.8 结构表征
7.2 结果与讨论
7.2.1 FZS900的形貌分析
7.2.2 FZS900对有机污染物的超高吸附能力
7.2.3 共吸附机制探讨
7.2.4 FZS900的吸附等温线分析
7.3 本章小结
第八章 研究结论、创新点及展望
8.1 研究结论
8.1.1 水稻秸秆生物炭的碳-硅形貌、形态转变及其溶出特征
8.1.2 不同裂解温度下生物炭表面官能团的变化规律
8.1.3 高裂解温度生物炭的芳香性原子簇的结构观察
8.1.4 基于H/C原子比的生物炭结构-吸附效应关系
8.1.5 生物炭/活性炭对AFFF污染的地下水中的全氟/聚氟类污染物的吸附去除
8.1.6 超高吸附材料的构建及其对有机污染物吸附作用机理
8.2 创新点
8.3 展望
参考文献
个人简历及攻读博士学位期间论文和获奖情况
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同烧制温度下玉米秸秆生物炭的性质及对萘的吸附性能[J]. 黄华,王雅雄,唐景春,朱文英. 环境科学. 2014(05)
[2]中国生物炭研究及其产业发展趋势[J]. 孟军,陈温福. 沈阳农业大学学报(社会科学版). 2013(01)
[3]水稻秸秆生物碳的结构特征及其对有机污染物的吸附性能[J]. 陈再明,陈宝梁,周丹丹. 环境科学学报. 2013(01)
[4]添加生物质炭对红壤水稻土有机碳矿化和微生物生物量的影响[J]. 匡崇婷,江春玉,李忠佩,胡锋. 土壤. 2012(04)
[5]水稻秸秆生物碳对重金属Pb2+的吸附作用及影响因素[J]. 陈再明,方远,徐义亮,陈宝梁. 环境科学学报. 2012(04)
[6]滇池底泥制备的生物炭对菲的吸附-解吸[J]. 陈宁,吴敏,许菲,陈会会,王震宇,宋秀丽,张迪,宁平,潘波. 环境化学. 2011(12)
[7]水稻秸秆生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附特性[J]. 安增莉,侯艳伟,蔡超,薛秀玲. 环境化学. 2011(11)
[8]中国生物质原料资源[J]. 石元春. 中国工程科学. 2011(02)
[9]秸秆生物质炭土地利用的环境效益研究[J]. 花莉,张成,马宏瑞,余旺. 生态环境学报. 2010(10)
[10]Interaction mechanisms of organic contaminants with burned straw ash charcoal[J]. Wenhai Huang,Baoliang Chen Department of Environmental Science,Zhejiang University,Hangzhou 310028,China. Journal of Environmental Sciences. 2010(10)
本文编号：3181646
本文链接：https://www.wllwen.com/shengtaihuanjingbaohulunwen/3181646.html
