生物質(zhì)炭老化過程表面性質(zhì)的變化及其對菲吸附性能的影響機(jī)制.pdf

1、隨著全球工業(yè)化的不斷發(fā)展，引發(fā)的氣候變暖與環(huán)境污染問題逐漸在當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展的道路上顯現(xiàn)出來。在尋求全球碳庫及新的環(huán)境吸附劑的過程中，生物質(zhì)炭因其高度的化學(xué)與生物穩(wěn)定性而逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)課題。作為一種有效的碳捕獲與存儲技術(shù)，生物質(zhì)炭已經(jīng)逐漸被人們看作為大氣中CO2永久的碳庫，此外，生物質(zhì)炭具有高度的芳香化結(jié)構(gòu)和大的比表面積，對環(huán)境中污染物的固定與生物有效性有著重要的影響。然而生物質(zhì)炭僅保存著相對穩(wěn)定，在自然環(huán)境中仍會發(fā)生緩慢的降

2、解，并且在降解過程中會影響對污染物固定的穩(wěn)定性。本研究在總結(jié)生物質(zhì)炭穩(wěn)定性及吸附性能等研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，以稻殼和秸稈為前體物，在350℃和550℃兩個熱解溫度下制備的生物質(zhì)炭為代表，通過不同洗脫處理研究了洗脫方式對生物質(zhì)炭性質(zhì)及吸附行為的影響，并且通過元素分析、熱重分析、傅里葉變換紅外光譜、掃描電鏡和核磁共振等技術(shù)手段及平衡吸附試驗(yàn)，探究生物質(zhì)炭老化過程中結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化及對菲吸持作用的影響。為生物質(zhì)炭在環(huán)境中的穩(wěn)定機(jī)制以及對污染物質(zhì)吸附

3、固定機(jī)制等提供理論依據(jù)，同時為尋求高性能的環(huán)境吸附材料提供技術(shù)支撐。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)選用水稻稻殼制備成生物質(zhì)炭，通過不同的洗脫劑洗脫處理，考察了兩種熱解溫度下(350℃、550℃)制備的稻殼炭熱解副產(chǎn)物的成分組成及不同洗脫劑處理效果，并且通過批量平衡法探究了不同洗脫后的生物質(zhì)炭對菲吸持作用的影響。結(jié)果表明，不同洗脫劑均能部分去除生物質(zhì)炭熱解過程中形成的副產(chǎn)物，低溫?zé)峤鈼l件下的稻殼炭，堿洗脫出的有機(jī)碳含量高達(dá)258.8

4、2 mg·g-1，而高溫?zé)峤鈼l件下的生物質(zhì)炭，酸洗脫出來的有機(jī)碳含量高達(dá)130.08 mg·g-1。炭化溫度的不同對生物質(zhì)炭熱解副產(chǎn)物的成分組成影響較大，但主要仍為有機(jī)酸、醇、酯和酮等物質(zhì)，且對于單一洗脫劑處理生物質(zhì)炭，酸液或堿液更有利于去除熱解副產(chǎn)物。350℃熱解的稻殼炭，對菲的最大吸附量為1.87 mg· g-1，經(jīng)酸洗脫后生物質(zhì)炭對菲的吸附能力有所減弱，減小到1.77 mg· g-1，而經(jīng)堿、醇兩種洗脫處理后的稻殼炭吸附能力明顯增

5、強(qiáng)，分別增加到4.02mg·g-1與4.17 mg·g-1;550℃熱解的稻殼炭，對菲的最大吸附量為2.24 mg· g-1，經(jīng)酸、堿與醇洗脫后的稻殼炭對菲的吸附能力均有所增強(qiáng)，分別增加到3.83 mg·g-1、5.08mg·g-1和4.43 mg· g-1。
　　(2)選擇水稻稻殼與秸稈在兩種熱解溫度下制備成生物質(zhì)炭，模擬自然條件避光培養(yǎng)300 d，通過多種儀器手段及平衡吸附試驗(yàn)，探究生物質(zhì)炭老化前后的動態(tài)結(jié)構(gòu)變化及對菲吸持作用

6、的影響。結(jié)果表明，生物質(zhì)炭老化過程中氧含量增加，含氧基團(tuán)增多，對菲的非線性吸附行為顯著增強(qiáng)。熱解溫度的不同決定了生物質(zhì)炭老化過程中性質(zhì)變化的差異，350℃熱解的稻殼炭，老化后極性增強(qiáng)，芳香性減弱，而550℃熱解的稻殼炭與秸稈炭，老化后脂肪族炭類物質(zhì)增加，羧基減少，芳香性增強(qiáng)，Langmiur預(yù)測的菲在350℃熱解的稻殼炭上老化前后的最大吸附量分別為3.57、2.35mg·g-1，主要是老化后性質(zhì)變化抑制了表面吸附作用，而550℃熱解的稻

7、殼炭老化前后的最大吸附量分別為0.42、4.17 mg·g-1，秸稈炭老化前后的最大吸附量分別為1.21、3.36 mg·g-1，老化后吸附量的顯著增加主要是生物質(zhì)炭性質(zhì)變化促進(jìn)了對菲的分配作用與表面吸附作用。550℃稻殼炭老化后對菲的吸附容量的增加程度強(qiáng)于秸稈炭，其原因除二者的材料不同外，與脂肪族中醚鍵的增加有著顯著的關(guān)系。研究生物質(zhì)炭在自然環(huán)境中的老化行為對環(huán)境污染物固定的穩(wěn)定性有著重要意義。
　　(3)以水稻稻殼為代表，選取

8、兩個熱解溫度(350℃、550℃)制備成生物質(zhì)炭，通過室內(nèi)老化培養(yǎng)，探究生物質(zhì)炭老化不同時間段的性質(zhì)及結(jié)構(gòu)變化，以及對污染物的吸附行為。結(jié)果表明，稻殼炭在老化過程中整體上含氧量得到增加，但老化過程中可能會存在某一階段的氧含量減少趨勢。350℃熱解條件下，隨著老化時間的增加，稻殼炭表面羥基減少，極性增強(qiáng)，芳香性減弱，表面吸附作用逐漸受到抑制，對菲的固定能力逐漸減弱，550℃熱解條件下，隨著老化時間的增加，稻殼炭對菲的吸附能力整體上逐漸增強(qiáng)