微米與納米級竹炭的表征及其對土壤吸附菲的影響與機(jī)理.pdf

1、納米技術(shù)發(fā)展日新月異，由于納米材料的高活性和反應(yīng)速率，其優(yōu)越性能引起了公眾及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而納米材料的分散穩(wěn)定性與性能存在極大的關(guān)聯(lián)，因此如何提高納米材料穩(wěn)定性也是一重要議題。竹炭是一種由竹子燒制而成的富碳材料，具有多孔、高比表面、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，日常生活中常做除臭劑與抑菌劑。考慮到竹炭性質(zhì)穩(wěn)定及納米顆粒的優(yōu)異性能，本文以微米和納米級竹炭為對象，系統(tǒng)表征和比較研究其特性，從土壤類型、竹炭添加量和竹炭粒徑三個方面揭示了微米和納米級竹

2、炭對菲吸附過程的影響和機(jī)理，同時對吸附過程中官能團(tuán)的吸附容量進(jìn)行了初步的探討。得到的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)微米與納米級竹炭的表征。兩種竹炭含有相似的元素組成（高C、低H和低N）及其表面上的各種官能團(tuán)（羧基、羥基等）。然而，納米級竹炭(NBC)具有比微米級竹炭(MBC)更大的比表面積與總孔體積，并且由于顆粒間形成的中孔和大孔，相對高壓下，NBC的吸附?jīng)]有受限，更容易產(chǎn)生多層吸附。從XRD結(jié)果來看，由于燒制的溫度與原材料的影響

3、，它們都發(fā)生了一定的石墨化作用，且程度相近。13C核磁共振結(jié)果表明，與MBC相比，NBC的非質(zhì)子化芳香碳含量更高，且平均稠環(huán)芳香碳個數(shù)和平均稠環(huán)連接的氧原子數(shù)更多。
　　(2)液相體系中微米與納米級竹炭對菲的吸附特征。受到粒徑的影響，MBC和NBC之間的吸附系數(shù)存在較大差異。結(jié)果表明，NBC比MBC對菲的吸附非線性更明顯，可能因為納米尺度下NBC的表面異質(zhì)性更強(qiáng)。根據(jù)系統(tǒng)表征結(jié)果，由于其較大的孔體積、表面積和非質(zhì)子化的芳香族碳，N

4、BC的吸附系數(shù)Kd(Ce=0.001Sw)達(dá)到1.24×106，是MBC的10倍，因而NBC對菲有更強(qiáng)的親和力。與一些其他常見的生物炭和納米材料相比，MBC對菲的吸附能力與文獻(xiàn)中報道的生物炭以及其他納米材料無較大差異，但是NBC的吸附能力顯著提高。
　　(3)土水體系中微米和納米級竹炭對菲的吸附機(jī)制。兩種竹炭對菲的吸附受到土壤性質(zhì)、竹炭添加量以及粒徑的影響。棕壤和磚紅壤對菲的吸附能力差異較大，但添加NBC后，土壤之間吸附能力差距縮

5、小，表明NBC對菲吸附能力較大，能夠在一定程度上緩解土壤性質(zhì)對菲吸附過程的影響。隨著竹炭添加量升高，吸附量逐漸增加，并在1.0％添加量時達(dá)到最大。值得注意的是，雖然NBC可能與土壤組分發(fā)生作用并凝聚，但是NBC的性能并沒有被復(fù)雜的土壤組分所削弱。添加0.2％ NBC的土壤，仍比添加1％ MBC的土壤有更強(qiáng)的菲吸附能力，表明在不影響吸附效果的前提下可以通過減小顆粒尺寸來減少土壤中竹炭添加量。與其他類型生物炭添加到土壤中的結(jié)果相比，添加MB

6、C的土壤和文獻(xiàn)中報道的結(jié)果相似，但添加NBC的土壤具備更強(qiáng)的菲吸附能力。因此，在一定程度上，NBC解決了土壤性質(zhì)不同對吸附能力的影響和納米材料穩(wěn)定性這兩個問題。
　　(4)微米與納米級竹炭表面羧基和羥基對菲的吸附容量。通過化學(xué)方式（酯化反應(yīng)與羥醛縮合反應(yīng)）對竹炭表面羧基及羥基進(jìn)行掩蔽，使用高濃度線性模型模擬實(shí)驗數(shù)據(jù)并計算兩種官能團(tuán)對菲的相對吸附容量（絕對容量占總?cè)萘堪俜直龋┡c絕對吸附容量。結(jié)果表明兩種化學(xué)掩蔽方法能夠在不影響竹炭其

7、他重要結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，對相應(yīng)的羧基與羥基進(jìn)行掩蔽。就相對吸附容量而言，MBC和NBC的兩種官能團(tuán)相對吸附容量之和約為10％，其他機(jī)制占約90％，表明對于兩種竹炭，菲吸附過程中，羧基和羥基的吸附容量遠(yuǎn)小于其他機(jī)制的吸附容量，可能是由于兩種竹炭含有豐富的芳香碳和孔隙，主要通過疏水作用和孔隙填充作用與菲結(jié)合。就絕對吸附容量而言，盡管SBC的吸附總?cè)萘窟h(yuǎn)小于MBC和NBC，但是其兩種官能團(tuán)吸附菲的絕對容量大于MBC和NBC，說明對于不同種類生