生物炭的制備、表征及其對(duì)黃土吸附Cd(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)的影響及機(jī)制.pdf

1、生物炭是由生物質(zhì)在厭氧缺氧條件下高溫?zé)峤庵苽涞碾y溶穩(wěn)定、高度芳香化的富碳物質(zhì)。因其巨大的比表面積，豐富的含氧官能團(tuán)以及大量表面電荷等性質(zhì)，近年來(lái)被廣泛用于土壤重金屬和有機(jī)物的吸附與固定化修復(fù)研究。同時(shí)，生物炭還可以作為一種土壤改良劑，可增強(qiáng)土壤養(yǎng)分的持留，提高糧食產(chǎn)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(lái)，有關(guān)生物炭?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)及其吸附性能的探究已經(jīng)逐漸成為環(huán)境化學(xué)界的研究熱點(diǎn)之一，被喻為一種綠色環(huán)境友好型

2、固定化修復(fù)劑。
　　探究不同原料制備的生物炭的結(jié)構(gòu)和性能及其對(duì)黃土吸附重金屬的影響機(jī)制，可以為固定化修復(fù)重金屬污染黃土的應(yīng)用提供理論依據(jù)。因此，本文以甘肅省典型的農(nóng)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(biāo)記為 BPS300、BPS500、BCS300、BCS500、BPM300和 BPM500）。通過(guò)優(yōu)選后，選取BPS300、BCS500和 BPM500，通過(guò)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(jié)合元素和孔徑分析等手段對(duì)生物炭與黃土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)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(shí)間、初始溶液pH值、初始重金屬濃度下對(duì)Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附特征，結(jié)合吸附前后的表征結(jié)果，探討吸附性能與生物炭和黃土結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的關(guān)系，推斷可能存在的吸附機(jī)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(jī)制，為后續(xù)的固

4、定化應(yīng)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(jié)論：
　?、艑?duì)BPS300、BCS500、BPM500和黃土（Loess）的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，生物炭主要含有 C、H、O、N、S等元素，BPS300和BCS500的芳構(gòu)化程度較高，BPM500的極性和親水性更強(qiáng)。黃土的比表面積和微孔面積不如生物炭的大，由此說(shuō)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(tuán)狀固體，大孔豐富，微孔較少。FTIR圖譜定性說(shuō)明三種生物炭?jī)?nèi)部羥基，羧基和內(nèi)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(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)完整有序的形態(tài)。
　?、蒲芯苛薆PS300、BCS500、BPM500和黃土及加炭黃土（依次標(biāo)記為L(zhǎng)BPS、LBCS和LBPM）對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附特性。結(jié)果表明，隨著溶液

6、初始pH值的增加，吸附劑對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附過(guò)程均呈現(xiàn)先快后慢再快的上升趨勢(shì)，吸附能力的大小順序?yàn)锽CS500>LBCS>BPS300>LBPS>LBPM>Loess>BPM500；黃土對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附在1 h時(shí)基本達(dá)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(duì)Cd(Ⅱ)的吸附量均隨著溶液初始濃度的增加而增加。動(dòng)力學(xué)模型符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9980以上，吸附等溫線以Freundlich模

7、型擬合相關(guān)性更高。實(shí)驗(yàn)條件下，生物炭的添加均提高了黃土對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附能力。通過(guò)吸附前后表征結(jié)果的對(duì)比推斷，生物炭對(duì)Cd(Ⅱ)的吸附機(jī)制主要是離子交換和陽(yáng)離子-π作用，而黃土對(duì)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(jī)質(zhì)中的羧基官能團(tuán)的貢獻(xiàn)。
　?、茄芯苛宋綍r(shí)間、初始溶液 pH值和初始重金屬濃度對(duì) BPS300、BCS500、BPM500、Loess、LBPS、LBCS和LBPM吸附Zn(Ⅱ)的影響。結(jié)果

8、顯示，吸附劑對(duì)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(duì)Zn(Ⅱ)的吸附在14 h時(shí)基本達(dá)到平衡，而B(niǎo)PS300、BPM500和BCS500均在1 h左右平衡，生物炭、黃土以及加炭黃土對(duì)Zn(Ⅱ)的吸附量隨著溶液初始濃度的增加而增加。動(dòng)力學(xué)模型符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，吸附等溫線以Freundlich模型擬合相關(guān)性更高。實(shí)驗(yàn)條件下，生物炭的施入對(duì)黃土吸附Zn(Ⅱ)的性能并沒(méi)有顯著影響，生物炭對(duì)Z