生物炭的制備、表征及其對黃土吸附Cd(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)的影響及機制.pdf

1、生物炭是由生物質在厭氧缺氧條件下高溫熱解制備的難溶穩(wěn)定、高度芳香化的富碳物質。因其巨大的比表面積，豐富的含氧官能團以及大量表面電荷等性質，近年來被廣泛用于土壤重金屬和有機物的吸附與固定化修復研究。同時，生物炭還可以作為一種土壤改良劑，可增強土壤養(yǎng)分的持留，提高糧食產量，并能有效增加土壤碳匯，固定大氣中的CO2，有望減緩全球氣候變暖。近年來，有關生物炭內部結構及其吸附性能的探究已經逐漸成為環(huán)境化學界的研究熱點之一，被喻為一種綠色環(huán)境友好型

2、固定化修復劑。
　　探究不同原料制備的生物炭的結構和性能及其對黃土吸附重金屬的影響機制，可以為固定化修復重金屬污染黃土的應用提供理論依據(jù)。因此，本文以甘肅省典型的農業(yè)廢棄物馬鈴薯秸稈、棉花秸稈和豬糞為原料，在300℃和500℃下制備生物炭（分別標記為 BPS300、BPS500、BCS300、BCS500、BPM300和 BPM500）。通過優(yōu)選后，選取BPS300、BCS500和 BPM500，通過掃描電鏡(SEM)、X-射線衍

3、射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等手段，并結合元素和孔徑分析等手段對生物炭與黃土的結構和性質進行表征；在溶液體系下，以批量平衡法研究黃土、生物炭和加炭黃土在不同吸附時間、初始溶液pH值、初始重金屬濃度下對Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附特征，結合吸附前后的表征結果，探討吸附性能與生物炭和黃土結構性質之間的關系，推斷可能存在的吸附機制。并研究了Cd(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)共存體系下兩者吸附的交互作用特性，考察其具體的影響機制，為后續(xù)的固

4、定化應用研究提供必要的前期數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。主要得到以下結論：
　?、艑PS300、BCS500、BPM500和黃土（Loess）的結構和組成進行了表征。結果顯示，生物炭主要含有 C、H、O、N、S等元素，BPS300和BCS500的芳構化程度較高，BPM500的極性和親水性更強。黃土的比表面積和微孔面積不如生物炭的大，由此說明生物炭的孔隙更致密。黃土表面粗糙，附著凹凸物，BPS300和 BCS500呈層狀疊合，孔隙明顯，比表面積

5、大，BPM500呈蜂窩團狀固體，大孔豐富，微孔較少。FTIR圖譜定性說明三種生物炭內部羥基，羧基和內酯基的存在，Loess的譜圖與BPM500相似。XRD圖譜分析可知，BPM500，Loess和BPS300均含有明顯的石英SiO2主峰，生物炭和黃土的晶型結構均呈現(xiàn)完整有序的形態(tài)。
　　⑵研究了BPS300、BCS500、BPM500和黃土及加炭黃土（依次標記為LBPS、LBCS和LBPM）對Cd(Ⅱ)的吸附特性。結果表明，隨著溶液

6、初始pH值的增加，吸附劑對Cd(Ⅱ)的吸附過程均呈現(xiàn)先快后慢再快的上升趨勢，吸附能力的大小順序為BCS500>LBCS>BPS300>LBPS>LBPM>Loess>BPM500；黃土對Cd(Ⅱ)的吸附在1 h時基本達到平衡，生物炭和加炭黃土則在10 h左右平衡；生物炭、黃土以及加炭黃土對Cd(Ⅱ)的吸附量均隨著溶液初始濃度的增加而增加。動力學模型符合準二級動力學方程，相關系數(shù)R2達到0.9980以上，吸附等溫線以Freundlich模

7、型擬合相關性更高。實驗條件下，生物炭的添加均提高了黃土對Cd(Ⅱ)的吸附能力。通過吸附前后表征結果的對比推斷，生物炭對Cd(Ⅱ)的吸附機制主要是離子交換和陽離子-π作用，而黃土對Cd(Ⅱ)的吸附主要是黃土中的石英、高嶺石等黏土礦物以及天然有機質中的羧基官能團的貢獻。
　?、茄芯苛宋綍r間、初始溶液 pH值和初始重金屬濃度對 BPS300、BCS500、BPM500、Loess、LBPS、LBCS和LBPM吸附Zn(Ⅱ)的影響。結果

8、顯示，吸附劑對Zn(Ⅱ)的吸附量隨溶液初始pH值的增加而增加，但各階段的增加幅度略有差異，Loess對Zn(Ⅱ)的吸附在14 h時基本達到平衡，而BPS300、BPM500和BCS500均在1 h左右平衡，生物炭、黃土以及加炭黃土對Zn(Ⅱ)的吸附量隨著溶液初始濃度的增加而增加。動力學模型符合準二級動力學方程，吸附等溫線以Freundlich模型擬合相關性更高。實驗條件下，生物炭的施入對黃土吸附Zn(Ⅱ)的性能并沒有顯著影響，生物炭對Z