【摘 要】
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生物质炭作为新型的环境友好类吸附剂,在治理和修复污染水土等方面有着广阔的发展前景,备受人们关注。但生物炭在长期的使用过程中容易受到外界环境的影响,导致其自身的理化特性随之发生改变,进而影响生物炭对环境污染物的吸附及污染环境的修复效果。本文以玉米秸秆作为生物质原料,在不同的裂解温度(250、350、500和700℃)下通过限氧升温法制备得到不同炭化温度的生物炭,并采用不同的老化方法(干湿交替老化、微
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生物质炭作为新型的环境友好类吸附剂,在治理和修复污染水土等方面有着广阔的发展前景,备受人们关注。但生物炭在长期的使用过程中容易受到外界环境的影响,导致其自身的理化特性随之发生改变,进而影响生物炭对环境污染物的吸附及污染环境的修复效果。本文以玉米秸秆作为生物质原料,在不同的裂解温度(250、350、500和700℃)下通过限氧升温法制备得到不同炭化温度的生物炭,并采用不同的老化方法(干湿交替老化、微生物老化、模拟酸雨老化、冻融循环老化及干湿-冻融交替老化)模拟生物炭在自然环境中的老化过程,利用表征及吸附实验探究热解温度和老化方式对生物炭理化性质、吸附磷酸三(2-氯异丙基)酯(TCIPP)性能的影响,并对其吸附机制进行了探讨,主要结果如下:(1)制备温度对生物炭理化特性的影响较大,随着生物炭温度的升高,其总孔隙量及比表面积显著增大,疏水性及芳香程度显著增强,极性逐渐降低;Boehm滴定、FTIR及XPS分析表明,生物炭表面的含氧酸性官能团(-OH、C-OOH、O=C-O及-COOR)的总量随炭化温度的升高显著减少,且-OH、C=C/C=O及C-O-C等官能团参与了TCIPP在生物炭上的吸附。吸附结果表明,随着温度的上升,生物炭对TCIPP的吸附量明显增加,由0.8837 mg·g-1(CS250)增加到2.2574 mg·g-1(CS700)。生物炭对TCIPP的吸附主要表现为表面吸附,随着生物炭温度的升高,生物炭对TCIPP的孔隙填充作用、P-π相互作用及疏水作用显著增强,而氢键作用减弱。(2)老化作用能够显著地影响生物炭的比表面积和表面形貌,老化后生物炭的极性指数均增强,而疏水性及芳香程度均降低。生物炭老化后的Boehm滴定、FTIR及XPS结果表明,生物炭表面的氧元素含量明显增加,而碳元素的含量显著降低,表面的含氧酸性官能团的总量均明显提高。吸附实验表明,老化作用对生物炭吸附TCIPP性能的提升效果依次为:微生物老化(80.59%)>冻融循环老化(53.89%)>干湿交替老化(51.73%)>干湿-冻融交替老化(15.11%)>酸雨老化(-53.37%)。老化生物炭对TCIPP的吸附受多种作用机理的影响,老化作用导致生物炭对TCIPP的孔隙填充作用及疏水作用显著降低,P-π相互作用显著增强;干湿交替老化、酸雨老化及冻融循环老化后生物炭对TCIPP的氢键作用减弱,而干湿-冻融交替老化后氢键的作用增强。(3)生物炭对土壤中TCIPP的吸附实验表明,与生物炭质量比为0%的土壤相比,随着生物炭添加比率的增加,土壤对TCIPP的吸附能力呈逐渐增加的趋势。在相同的生物炭添加量下,经干湿-冻融交替老化处理后的生物炭对TCIPP具有更好的吸附效果,吸附量的大小顺序为:CS700-DF>CS700>CK;而在不同生物炭添加量条件下,当生物炭的质量比为1%时土壤对TCIPP的吸附性能最佳。(4)整体而言,老化作用对生物炭理化性质的影响较大,且能够有效地提高生物炭对土壤和水体环境中TCIPP的吸附能力。此外,在长期使用生物炭进行污染水土的修复时需要综合考虑不同地区的自然老化方式及老化时间对生物炭理化性质及吸附效果的影响。
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