稀土添加制备生物炭及炭对氮、磷吸附性能的研究

发布时间：2017-04-12 14:03

  本文关键词：稀土添加制备生物炭及炭对氮、磷吸附性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：生物炭(biochar,BC)是指生物质在低温限氧的条件下经热解所获得的富碳产物。BC的理化性质受生物质原料种类、预处理方法及热解工艺的影响,同时BC的理化性质又决定其应用功能。本文以橡木(OS)、玉米秸秆(CS)和菊芋秸秆(JAS)为原料,以稀土镧(La)和铈(Ce)对其进行预处理,并对热解条件进行调控,主要通过生物质热解行为、BC理化性质及碘值考察原料种类、稀土种类和热解条件对BC制备的影响,并探讨其液相NH4+、N03-和P043-的吸附能力和潜在的机理。研究结果表明：(1)生物质的热解行为因原料和预处理所添加的稀土种类而异。总体而言,生物质的热解过程均可分为4个阶段：以脱水为主的干燥阶段、以木质纤维素解聚和玻璃化为主的预热解阶段、三大组分快速分解的热解阶段及以木质素深度分解和炭结构重排等为主的碳化阶段,但每个阶段所对应的温度存在差异。La和Ce的添加能够降低OS热解阶段的初始热解温度和最大失重速率所对应的温度,促使热解向低温区移动,最大失重速率所对应的温度分别较对照提前25℃和15℃。同时La和Ce的添加能够降低CS热解阶段的初始热解温度而对最大失重速率所对应的温度基本无影响。而La和Ce添加均使JAS热解阶段的初始热解温度和最大失重速率所对应的温度向高温区移动。此外,La和Ce的添加能够降低OS和CS的活化能(有利于热解反应),而增加JAS的活化能(不利于反应进行)。(2)La和Ce的添加能够增加BC的产率、灰分、C、H、芳香性(H/C)和疏水性(O／C),而降低pH(相对于对照)。BC表面官能团受稀土种类和生物质原料的影响：Ce添加所制备的橡木生物炭(Ce-OSBC)的官能团较对照橡木生物炭(CK-OSBC)和La添加所制备的橡木生物炭(La-OSBC)更为丰富,La添加所制备的菊芋秸秆生物炭(La-JASBC)较对照菊芋秸秆生物炭(CK-JASBC)和Ce添加所制备的菊芋秸秆生物炭(Ce-JASBC)更少,而对照玉米秸秆生物炭(CK-CSBC)、La添加所制备的玉米秸秆生物炭(La-CSBC)和Ce添加所制备的玉米秸秆生物炭(Ce-CSBC)基本无差别。另外,La和Ce的添加能够改善BC的碘值吸附性能。尤其是La添加所制备的La-OSBC,其碘值为CK-OSBC的2倍并大于其它BC。(3)随着热解温度的增加,BC的pH、比表面积(SA)、灰分、固定碳(FC)、碱性官能团(BFG)、C和N逐渐增加,而产率、挥发分(VM)、酸性官能团(AFG)、H、O、H/C和O/C却不断降低。同时,La的添加能够增加BC产率、SA、灰分、FC、BFG、N和O/C。BC的官能团数量和种类随着热解温度的增加逐渐减少,尤其是脂肪性的官能团随着热解温度的增加不断的减弱甚至消失。La的添加能够改变BC的官能团。300℃下所制备的La添加生物炭(La-300)在1700 cm-1(羧基C=O)、1430 cm-1(-CH2)和1375 cm-1(酚基)存在对应官能团的吸收峰,而300℃下所制备的生物炭(CK-300)却没有。但随着热解温度的增大,La添加所制备的生物炭(La-BCs)和对照生物炭(CK-BCs)之间的官能团的差异越来越不明显。通过扫描电镜观察发现,热解温度越高,BC颗粒越小,BC所保留原有生物质的特征越少。能谱分析结果显示,La的添加导致La-BCs表面生成大量La203。随着热解温度的增加,BC的负电性加强,而La的添加能够减弱BC的负电性。X射线衍射结果表明,增加热解温度,BC中有机碳的晶体减弱,羟磷灰石的晶体消失,而白磷钙石的晶体增强。La-BCs上并未发现关于La的晶体。(4)BC中易水溶性的NH4+、N03-和P043-随着热解温度的增加不断降低,La的添加能够进一步的减少其释放量。批式吸附试验表明,热解温度的增加,BC对NH4+的吸附能力不断降低,对N03-逐渐增强,对P043-先增后降。即300℃、600℃和500℃下制备的BC分别对NH4+、N03-和P043-的吸附效果最好。La的添加有利于BC吸附能力的提升。AFG是BC对NH4+吸附的主要决定因素,La的添加能够增加BC表面有效的AFG；N03-的吸附主要受BC的BFG和SA调控,La的添加有利于BFG的生成和孔隙的发育；BFG和SA对P043-的吸附也存在一定作用,同时La-BCs表面丰富的La203也有利于P043-吸附,总之,La的添加均能促进BC对NH4+、N03-和P043-的吸附。BC对NH4+、N03-和P043-的吸附过程均符合First order model。Langmuir模型拟合得到La-BCs对NH4+N03-和P043-的最大吸附量分别为10.1 mg/g、100.0 mg/g和142.7 mg/g,较对应的CK-BCs分别提高1.9、11.2和4.5倍。
【关键词】：稀土 生物炭 氮、磷 吸附
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ424
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-27
• 1.1 引言12-13
• 1.2 生物质热解制备BC的机理13-16
• 1.3 影响BC应用特性的因素16-21
• 1.3.1 制备BC的前驱原料16-17
• 1.3.2 制备生物炭的热解条件17-19
• 1.3.3 制备生物炭前的预处理方式19-21
• 1.4 BC用途21-24
• 1.4.1 缓解温室效应21-22
• 1.4.2 改良土壤22-23
• 1.4.3 环境功能吸附剂23-24
• 1.5 稀土用途24
• 1.6 问题提出24-25
• 1.7 研究思路25
• 1.8 研究内容25-27
• 2 材料与方法27-36
• 2.1 稀土添加对生物质制备生物炭的影响27-30
• 2.1.1 原料概况27
• 2.1.2 主要试剂与仪器27-28
• 2.1.3 生物炭制备28
• 2.1.4 样品表征28-29
• 2.1.5 pH29
• 2.1.6 灰分(Ash)29
• 2.1.7 碘值(iodine value,A)29
• 2.1.8 统计与计算29-30
• 2.2 不同热解温度下生物炭的制备及其特性的研究30-32
• 2.2.1 实验原料与试剂30
• 2.2.2 实验仪器30-31
• 2.2.3 BC的制备31
• 2.2.4 BC的表征31-32
• 2.2.5 工业分析(Proximate analysis)32
• 2.2.6 表面含氧官能团32
• 2.3 热解温度对生物炭氮、磷吸附的研究32-36
• 2.3.1 实验原料和试剂32
• 2.3.2 实验仪器32-33
• 2.3.3 BC中易水溶性NH~(4+)、NO_3~-、PO_4~(3+)及可溶性Ca~(2+)、Mg~(2+)的测定33
• 2.3.4 批式吸附实验33-34
• 2.3.5 吸附动力学实验34
• 2.3.6 等温吸附实验34-36
• 3 结果与讨论36-68
• 3.1 稀土添加对生物质制备生物炭的影响36-49
• 3.1.1 稀土添加对生物质热解行为的影响36-42
• 3.1.2 BC产率42-43
• 3.1.3 BC的理化性质43-46
• 3.1.4 BC的红外分析46-47
• 3.1.5 BC的碘吸附47-49
• 3.2 不同热解温度下生物炭的制备及其特性的研究49-58
• 3.2.1 产率49-50
• 3.2.2 理化特性50-53
• 3.2.3 IR53-54
• 3.2.4 SEM-EDS54-56
• 3.2.5 Zeta电位56-57
• 3.2.6 XRD57-58
• 3.3 热解温度对生物炭氮、磷吸附的研究58-68
• 3.3.1 BC中易水溶性的NH~(4+)、NO_3~-和PO_4~(3-)58-59
• 3.3.2 批式吸附试验59-64
• 3.3.3 吸附动力学64-65
• 3.3.4 吸附等温线65-68
• 4 结论及展望68-71
• 4.1 主要结论68-69
• 4.2 展望69-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-80
• 攻读硕士期间取得的科研成果80-81

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