微米與納米級竹炭的表征及其對土壤吸附菲的影響與機理.pdf

1、納米技術發(fā)展日新月異，由于納米材料的高活性和反應速率，其優(yōu)越性能引起了公眾及學術界的廣泛關注。然而納米材料的分散穩(wěn)定性與性能存在極大的關聯(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，日常生活中常做除臭劑與抑菌劑?？紤]到竹炭性質穩(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理，同時對吸附過程中官能團的吸附容量進行了初步的探討。得到的主要研究結果如下:
　　(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（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的吸附沒有受限，更容易產生多層吸附。從XRD結果來看，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核磁共振結果表明，與MBC相比，NBC的非質子化芳香碳含量更高，且平均稠環(huán)芳香碳個數和平均稠環(huán)連接的氧原子數更多。
　　(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之間的吸附系數存在較大差異。結果表明，NBC比MBC對菲的吸附非線性更明顯，可能因為納米尺度下NBC的表面異質性更強。根據系統(tǒng)表征結果，由于其較大的孔體積、表面積和非質子化的芳香族碳，N

4、BC的吸附系數Kd(Ce=0.001Sw)達到1.24×106，是MBC的10倍，因而NBC對菲有更強的親和力。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制。兩種竹炭對菲的吸附受到土壤性質、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果相比，添加MB

6、C的土壤和文獻中報道的結果相似，但添加NBC的土壤具備更強的菲吸附能力。因此，在一定程度上，NBC解決了土壤性質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。通過化學方式（酯化反應與羥醛縮合反應）對竹炭表面羧基及羥基進行掩蔽，使用高濃度線性模型模擬實驗數據并計算兩種官能團對菲的相對吸附容量（絕對容量占總容量百分比）與絕對吸附容量。結果表明兩種化學掩蔽方法能夠在不影響竹炭其

7、他重要結構特性的基礎上，對相應的羧基與羥基進行掩蔽。就相對吸附容量而言，MBC和NBC的兩種官能團相對吸附容量之和約為10％，其他機制占約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小于其他機制的吸附容量，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合。就絕對吸附容量而言，盡管SBC的吸附總容量遠小于MBC和NBC，但是其兩種官能團吸附菲的絕對容量大于MBC和NBC，說明對于不同種類生