没食子药渣生物炭的制备、表征及其吸附性能研究

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生物炭是在厌氧的条件下由废弃生物质通过热解制备富含碳稳定的、芳香化的多孔物质。生物炭有多种表面含氧官能团、灰分含量、元素组成等,在吸附有机污染物、土壤改良、促进作物生长等方面有很大的应用受到了广泛的关注。本文以没食子药渣为原料,采用限氧热解法在不同热解温度(200℃-600℃)制备生物炭,测定不同热解温度药渣生物炭的物理化学性质,并对药渣生物炭进行表征。进一步测定药渣生物炭中残留的没食子酸和鞣花酸含量。同时针对每年含铅、含酚废水的大量排放导致水体受到污染的状况,分别研究药渣生物炭对铅和苯酚的吸附效果,结合前期的表征结果,分析药渣生物炭的结构与吸附性能的关系,探讨铅和苯酚吸附性能的一系列影响因素,运用吸附动力学模型和吸附等温模型对实验数据进行拟合,初步探讨吸附机理。研究结果为没食子药渣生物炭在水环境方面的应用提供理论依据和数据支持。主要研究内容结果如下:(1)在200-600℃下制备一系列药渣生物炭,随着热解温度的升高,没食子药渣生物炭的热解程度不断增加,产率、挥发分下降,碳(C)的含量不断增加,氢(H)、氧(O)的含量不断减少,p H、灰分和固定碳的含量逐渐增大;表面官能团的数量不断减少,芳香类化合物不断形成。(2)对不同热解温度的药渣生物炭中没食子酸和鞣花酸残留的含量进行测定,200℃药渣生物炭含有较多的没食子酸和鞣花酸,含量分别是39.50 mg/g和24.53 mg/g。300℃-500℃药渣生物炭中未检出没食子酸,而鞣花酸的含量分别是7.01 mg/g、1.02 mg/g、1.05 mg/g。600℃生物炭中未检出没食子酸和鞣花酸。(3)考察溶液的p H值、接触时间和初始浓度等三个因素对生物炭吸附铅的影响,研究吸附动力学模型和吸附等温模型。结果表明,不同热解温度的药渣生物炭对铅的平衡吸附时间为24 h,药渣生物炭对Pb2+的最大吸附量为200℃>300℃>400℃>500℃>600℃。吸附过程符合准二级动力学方程,200℃-600℃准二级动力学方程的R2分别是1、0.9998、0.9992、0.9990、0.9983。药渣生物炭对Pb2+的吸附等温线更符合Langmuir等温吸附模型,表明生物炭吸附铅的机制为化学吸附,Langmuir模型中药渣生物炭对Pb2+的吸附RL值都在0-1之间,生物炭对Pb2+的吸附性能较好。(4)研究接触时间、初始浓度和不同温度对药渣生物炭吸附苯酚的影响,结果表明,温度越高有利于药渣生物炭的吸附,药渣生物炭对苯酚的吸附在10 h趋于平衡。在相同的吸附时间内,4种生物炭对苯酚吸附能力高低为:400℃>500℃>600℃>300℃。4种生物炭基本符合Langmuir和Freundlich模型。
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