生物碳的制备热动力学特性及其对镉的吸附性能和机理

发布时间：2023-08-29 23:35

　　生物碳是生物质原料(如木屑、秸秆、家畜粪便等)在限氧条件下通过热化学转化得到的一种固态富碳物质。近年来,由于其特殊的环境功能价值而得到越来越多的关注。相比生物质而言,生物碳含大量芳环结构的碳,它在土壤环境中不易被微生物所利用,能够稳定存在上百甚至上千年,且兼备提高土壤碳含量和固定大气CO2的功能,在一定程度上减缓全球气候变暖。然而,生物碳制备过程中热力学特性及不同生物质原料对裂解影响尚不清楚；生物碳对重金属的吸附性能与其组成结构之间的构效关系以及相应的作用机制并未得到深入研究。因此,本文以水稻秸秆、米糠、牛粪和鸡粪四种生物质材料,制备出一系列不同裂解温度的生物碳样品,使用化学分析方法和光谱表征技术分析生物碳的组成结构及物理化学性能；采用热重分析技术研究生物质裂解制备生物碳过程中的热动力学特性,运用热动力学方程计算出生物质裂解过程中的热动力学参数；重点研究了生物碳吸附重金属镉的性能和机理,搞清不同裂解温度生物碳对镉的快慢吸附过程,揭示生物碳中不同组分(有机碳、水溶性矿物、HC1可溶性矿物以及si化合物)在吸附重金属镉中的贡献和主要作用机制。通过研究生物质裂解制备生物碳过程中的热动力特性且...

【文章页数】：113 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 生物碳的制备方法和结构表征及其对重金属吸附作用的研究进展
    1 生物碳的定义及制备方式
        1.1 生物碳的定义及研究历史
        1.2 生物质原料的种类及组成
        1.3 生物碳的主要制备方式(碳化技术)
            1.3.1 生物碳热裂解制备技术
            1.3.2 一些新型生物碳制备技术
    2 生物质裂解机制及生物碳表征技术
        2.1 生物质裂解的研究历程
        2.2 影响生物质热裂解的因素
            2.2.1 裂解温度
            2.2.2 生物质原料
            2.2.3 升温速率
            2.2.4 停留时间
            2.2.5 裂解压力
        2.3 生物质裂解的模型和机理
            2.3.1 生物质裂解模型
            2.3.2 生物质裂解机理
        2.4 生物碳性能与结构的分析表征方法
            2.4.1 生物碳性能的分析方法
            2.4.2 生物碳结构的分析方法
    3 生物碳对重金属吸附固定作用及机制
        3.1 生物碳吸附重金属的影响因素
            3.1.1 生物碳的结构特性
            3.1.2 溶液pH值
            3.1.3 共存的离子和有机物
            3.1.4 溶液温度
        3.2 生物碳对重金属的吸附机制
            3.2.1 离子交换
            3.2.2 络合作用
            3.2.3 沉淀反应
    4 论文的研究思路
第二章 生物碳的制备与结构性能表征
    1 实验部分
        1.1 实验材料和仪器
        1.2 生物碳及灰分样品的制备
        1.3 生物碳结构性能表征
            1.3.1 生物碳灰分含量的测定
            1.3.2 生物碳和灰分pH值的测定
            1.3.3 生物质热重分析
            1.3.4 生物碳元素及比表面积分析
            1.3.5 生物碳及灰分红外光谱分析
            1.3.6 生物碳及灰分X射线衍射分析
            1.3.7 生物碳及灰分扫描电镜分析
    2 结果与讨论
        2.1 生物碳产率和灰分含量
        2.2 生物碳和灰分pH值
        2.3 生物质热重分析
        2.4 生物碳元素组成及比表面积
        2.5 生物碳及灰分红外光谱图
        2.6 生物碳及灰分的X射线衍射图
        2.7 生物碳和灰分扫描电镜图
    3 小结
第三章 生物质限氧裂解制备生物碳的热动力学行为
    1 实验部分
        1.1 实验材料和仪器
        1.2 实验方法
            1.2.1 热重分析
            1.2.2 活化能及其他热动力学参数的计算方法
            1.2.3 生物碳的制备及红外表征
    2 结果与讨论
        2.1 生物质裂解热动力学分析
        2.2 生物质裂解过程的活化能
        2.3 生物质裂解过程中的热动力学参数
        2.4 马弗炉裂解制得生物碳产率与TG计算数据比较
        2.5 生物质主要组分裂解过程中的红外分析
    3 小结
第四章 米糠和鸡粪生物碳对镉的吸附动力学、性能及作用机理
    1 实验部分
        1.1 实验材料和仪器
        1.2 实验方法
            1.2.1 生物碳和灰分样品的制备
            1.2.2 吸附动力学实验
            1.2.3 动力学过程中溶液pH值的测定
            1.2.4 pH值对生物碳吸附Cd的影响实验
            1.2.5 等温吸附实验
            1.2.6 吸附前后样品的表征
    2 结果与讨论
        2.1 生物碳和灰分对Cd的吸附动力学
        2.2 吸附动力学过程pH值变化
        2.3 pH值对生物碳吸附Cd性能的影响
        2.4 等温吸附曲线
        2.5 生物碳对重金属Cd的吸附机理
        2.6 生物碳对重金属Cd快慢吸附的作用机制
    3 小结
第五章 生物碳中矿物成分在吸附重金属镉中的作用及相对贡献
    1 实验部分
        1.1 实验材料和仪器
        1.2 实验方法
            1.2.1 水洗和酸处理米糠生物碳样品的制备
            1.2.2 处理后样品的表征
            1.2.3 镉吸附去除率实验
            1.2.4 pH值影响实验
            1.2.5 等温吸附实验
            1.2.6 吸附后样品的表征
    2 结果与讨论
        2.1 处理前后生物碳样品的结构特征
        2.2 处理前后生物碳对Cd去除率比较
        2.3 pH值对吸附的影响
        2.4 等温吸附曲线
        2.5 吸附机制和矿物的贡献率
    3 小结
第六章 研究结论、创新点及展望
    1 研究结论
        1.1 生物碳样品的制备与结构性能表征
        1.2 生物质限氧裂解制备生物碳的热动力学行为
        1.3 米糠和鸡粪生物碳对镉吸附性能和动力学行为及作用机理
        1.4 生物碳中矿物成分在吸附重金属镉中的作用及相对贡献
    2 主要创新点
    3 展望
参考文献
个人简历及攻读硕士学位期间完成的论文与荣誉



本文编号：3844507