生物炭的制备、改性及其去除典型有机污染物的应用研究

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酚类化合物是废水中常见污染物,严重危害环境及人体健康。生物炭因丰富的微孔结构和活性表面常作为吸附剂,但原料种类、制备条件等因素限制了其在去除有机污染物中的应用。本文针对生物炭制备及其去除水中酚类污染物方面存在问题开展研究,在不同热解温度(300℃700℃)下制备5种松树锯末生物炭,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、元素分析仪、比表面积和孔隙度分析仪(BET)、Zeta电位分析仪等技术对其形貌、结构、官能团、元素组成、比表面积和孔隙特性以及表面电位等进行表征,研究热解温度与生物炭理化性质间的关联;考察了吸附环境对水中苯酚及对硝基苯酚在5种生物炭上吸附特性的影响,优化了吸附条件,并从吸附动力学、吸附等温模型及热力学角度分析了吸附机制;对低效生物炭进行改性以提升吸附性能。主要研究内容与结论如下:(1)热解温度显著影响松树锯末生物炭的理化性质。随热解温度升高,松树锯末生物炭表面结构更复杂,比表面积增大,孔隙增多且孔径逐渐减小。高温热解下的生物炭产率降低,pH值升高,表面官能团减少,石墨晶体结构增大,电导率提高。H/C和O/C比值逐渐降低,生物炭的芳香性和疏水性增强,稳定性提高,具有更好的碳储存能力且难以生物降解。(2)碱性条件对松树锯末生物炭对对硝基苯酚的吸附量有明显影响。准二级动力学和Temkin等温模型可描述对硝基苯酚在PC300和PC400上的吸附,而PC500、PC600和PC700符合Elovich动力学和Freundlich等温模型。吸附平衡状态时吸附量大小依次为:PC700>PC600>PC500>PC400>PC300。温度为35℃时对硝基苯酚在PC700上的最大吸附量为117.165 mg/g。吸附机理包括物理吸附和化学吸附,对硝基苯酚在PC300和PC400上的吸附以静电作用为主,而在PC500、PC600和PC700上的吸附受氢键和π-π相互作用影响更大,液膜扩散和颗粒内扩散共同限制吸附速率。(3)NH4Cl和NaNO3对苯酚在松树锯末生物炭上的吸附有抑制作用,而NaCl则表现出促进作用,但这种影响随离子浓度的增加无显著变化。苯酚在生物炭上的吸附量不受溶液pH(<10)影响。吸附前30 min,PC500、PC600和PC700对苯酚的去除率达吸附平衡时的70%以上。准二级动力学模型更适合描述生物炭对苯酚的吸附过程。Langmuir等温模型对苯酚在PC300和PC400上的吸附行为匹配度较高,而PC500、PC600和PC700更符合Temkin等温模型。热力学分析结果表明苯酚与生物炭之间是自发的吸热反应。(4)经改性处理后的DC300整体孔道分布仍有一定有序性,表面存在部分塌陷,MC300表面结构更加疏松,比表面积增长了421.02%,孔容增加了290%,含氧官能团增多。对硝基苯酚在MC300上的最大吸附量为109.294 mg/g,明显高于DC300(34.246mg/g)和PC300(29.165 mg/g),去除率提高了274.7%。苯酚在MC300上的吸附在前60 min内迅速发生并达到总吸附量的79%。PC300、DC300和MC300对苯酚及对硝基苯酚的吸附过程更符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温模型;其中MC300吸附性能的大幅改善是因其比表面积增大和含氧官能团增多而提供了更多的吸附位点。
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