摘要：

生物炭是利用生物质作为原料在厌氧或限氧条件下,通过热解(一般低于700℃)而最终得到的一种固态富炭物质。近年来,由于其制备方法简单,制备原料来源广泛,对水溶液中重金属离子去除效果显著,越来越受到人们的关注。但由于生物炭作为一种粉末状的固态富炭物质,在去除水溶液中重金属离子的过程中,存在吸附后难以从水溶液中分离的问题。单纯的赋磁,虽然能解决其从水溶液中再分离的问题,但由于磁化后的生物炭材料,原本高效的吸附性能会由于磁化作用而降低,因而限制了生物炭作为高效去吸附材料得广泛应用。基于生物炭在废水处理应用中的问题,本研究首先选择来源广泛的农业固体废弃物小麦秸秆、玉米骨、玉米秸秆为生物质原料,制备与改性生物炭吸附剂,并探求了此吸附剂对重金属Cd2+与Cu2+的吸附性能。论文主要研究内容及结果如下:(1)利用玉米秸秆作为制备原料,在不同热解温度(300℃、400℃、500℃和700℃)下制备了生物炭并对其进行了特征表征,其中,玉米秸秆生物炭的含碳量随着温度的升高而逐渐降低,同时其灰分含量也伴随着温度的升高而显著提高;玉米秸秆生物炭的比表面积和总孔隙体积随着温度的升高而增大,其pH值也随着温度的升高而增高;玉米秸秆生物炭的表面形态,伴随着温度的逐渐提升,其多层结构和孔隙结构愈加完善;随着温度的增高玉米秸秆生物炭的脂肪性C-C键逐渐减弱乃至消失,而芳香性C=C键却逐渐增强;玉米秸秆中的纤维素和半纤维素会随着温度的逐渐升高而逐渐热解,最终形成无定型结构的生物炭。明确了不同温度下制备生物炭对水溶液中铜和镉的吸附能力,其中BC700对铜和镉的去除能力分别为117.63 mg/g、110.76 mg/g。初步制备了具有高效吸附能力的生物炭吸附剂。(2)对制备的生物炭吸附机理的进行了初步分析。生物炭对重金属吸附前后,扫描电镜中生物炭表面难溶物出现;在重金属吸附前后,红外光谱中芳香性的C=O键、O-H键以及芳香性C=C键都发生了明显的位置变化。得出了生物炭对水溶液中重金属的去除机理是生物炭的孔隙吸附和基于生物炭表面官能团的共沉淀和表面络合作用。(3)对高效吸附的生物炭进行改性,通过对生物炭进行壳聚糖和磁性铁的包覆,制备具备高效吸附能力的磁性生物炭吸附剂,并通过化学分析方法和光谱表征技术,对原始生物炭材料和改性生物炭材料进行了样品的组成结构和物理化学特性分析,明确了材料的基本组成和基本特性,进而探讨了其吸附机理。通过对700℃下制得的生物炭进行覆磁与壳聚糖包覆,制得了一种对水溶液中Cd2+与Cu2+具有高效去除能力,同时方便从水溶液中回收,避免造成二次污染的高效吸附剂材料生物炭-壳聚糖-铁(CC-Fe)。对制备的吸附剂的热力学和动力学数据进行拟合,其中生物炭对Cu2+的吸附等温线更好的拟合Langmuir模型;而对于Cd2+的吸附等温线,其数据则更好的拟合了Freundlich模型。随着温度的升高,其吸附数据的拟合度也随着增高。BC700不论对Cu2+,还是对Cd2+,都具有最高的去除效率;生物炭-壳聚糖(CC)和生物炭-壳聚糖-铁(CC-Fe)的吸附过程主要是Langmuir表面吸附过程,而生物炭-铁(C-Fe)的基本没有对水溶液中Cu2+和Cd2+的吸附能力;BC700和CC-Fe对Cd2+的吸附动力学数据更好的拟合拟一级动力学方程,而对Cu2+的吸附动力学数据则能同时符合拟一级、二级动力学方程。

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