【摘 要】
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目前我国外来入侵物种数目较大,对入侵地的农业、经济都造成极大影响。现有研究表明资源化利用是一种有效管理入侵植物的方式。另一方面我国水体中的重金属污染问题不容小觑,重金属随着水体灌溉对我国的耕地、粮食造成较大的影响,带来不可估量的经济损失。目前有较多研究着力于利用农用废弃物制备吸附剂修复重金属污染,但开发入侵植物资源并应用于重金属修复的研究还较少。因此本研究选取入侵植物马缨丹作为原材料,在不同温度下
【基金项目】
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四川省科技计划项目2018SZDZX0022和2017SZ0185；
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目前我国外来入侵物种数目较大,对入侵地的农业、经济都造成极大影响。现有研究表明资源化利用是一种有效管理入侵植物的方式。另一方面我国水体中的重金属污染问题不容小觑,重金属随着水体灌溉对我国的耕地、粮食造成较大的影响,带来不可估量的经济损失。目前有较多研究着力于利用农用废弃物制备吸附剂修复重金属污染,但开发入侵植物资源并应用于重金属修复的研究还较少。因此本研究选取入侵植物马缨丹作为原材料,在不同温度下限氧热解制备生物炭,以重金属铅（Pb）、镉（Cd）作为目标离子进行吸附研究,以吸附量为指标优选出吸附效果最佳的生物炭,开展批量吸附实验、动力学吸附实验、等温吸附实验和热力学实验探讨优选生物炭对重金属铅、镉的吸附特性,利用相关表征手段揭示优选生物炭对重金属铅、镉吸附机理。本文得到的主要结论如下:（1）在四种不同的温度下,限氧热解制备马缨丹生物炭,并通过吸附实验比选最优热处理温度,结果表明:450℃热处理温度下制备的生物炭（LCBC）对重金属铅、镉的吸附量显著提高。通过基础性质分析发现LCBC的p H值为9.78,呈碱性,元素分析结果显示LCBC碳化程度较高,极性程度低,结构稳定性高。通过扫描电镜（SEM）发现LCBC相比原始生物质出现明显孔径结构,比表面积和孔径分析（BET）分析结果LCBC的孔径多为介孔,通过热重分析发现LCBC重量随着温度的变化并不明显,热分解速率缓慢,热稳定性较高。（2）将LCBC对Pb2+和Cd2+进行吸附,实验结果显示溶液初始p H值、重金属初始浓度、生物炭投加量均会影响吸附效果。LCBC在溶液初始p H值为5时去除Pb2+的效果最好,p H值为6时去除Cd2+效果最好。LCBC对Pb2+和Cd2+的吸附量均随着重金属离子的初始浓度增大而增加,LCBC上的吸附位点随着离子浓度的增加与重金属离子充分作用直到达到饱和。LCBC投加量的增加能提供更多的吸附位点,LCBC对Pb2+和Cd2+的去除率随着投加量的增加不断升高,但吸附量有所下降,将LCBC应用于吸附重金属Pb2+或Cd2+的最佳投加量均为2g/L。（3）通过动力学实验、等温吸附实验和热力学实验研究LCBC对重金属Pb2+和Cd2+的吸附特性,结果表明:LCBC对Pb2+和Cd2+的吸附行为均符合拟二级动力学方程和Langmuir模型,说明该吸附过程为单分子层均质吸附,并且是一个复杂的多步骤反应,包括物理吸附、粒子内扩散和化学吸附过程等,化学吸附是其主要的限速步骤。通过Langmuir方程得到马缨丹生物炭对Pb2+的最大理论吸附量为75.74 mg/g,对Cd2+的最大理论吸附量为27.18 mg/g。在不同的反应温度下,LCBC对重金属Pb2+和Cd2+的理论最大吸附量随着温度的升高而增加。通过热力学方程计算得到LCBC吸附Pb2+和Cd2+反应的ΔG小于0,ΔH大于0,ΔS大于0,结果表明该吸附过程是吸热反应,能够自发进行,升高温度可以促进反应发生。（4）通过扫描电镜（SEM）、电子能谱（EDS）、傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线衍射分析（XRD）和X射线光电子能谱分析（XPS）等表征手段进一步分析生物炭对Pb2+和Cd2+的吸附机理。SEM结果显示LCBC吸附Pb2+后表面出现许多圆片状沉淀,吸附Cd2+后表面新增了一些片层结构;EDS和XPS的结果表明LCBC在吸附Pb2+和Cd2+后新出现了明显的铅、镉特征峰。上述结果进一步证实了LCBC能够有效吸附铅、镉离子。通过FTIR和XPS结果发现LCBC对Pb2+和Cd2+的吸附过程与O-H基团、C=C键、C-O、C=O等官能团有关,这些官能团既能直接参与吸附过程,又可能通过化学键之间的相互作用促进生物炭对Pb2+和Cd2+的吸附;XRD结果表明LCBC在吸附Pb2+和Cd2+时形成了稳定的碳酸盐Pb3（CO3）2（OH）2和Cd CO3沉积在表面。LCBC对重金属Pb2+和Cd2+的吸附机理包括官能团螯合作用、离子相互作用、π-π相互作用、络合作用和沉淀反应等。（5）本研究通过模拟工业废水吸附实验也初步验证了马缨丹生物炭对混合重金属离子也具有一定的吸附效果,在生物炭投加量为4 g/L时,能够将废水的铅离子、镉离子降低至铅锌工业污染物排放标准（GB 25466-2010）,与此同时溶液中共存的其他重金属离子浓度也能达到排放标准。综上所述,本论文利用入侵植物马缨丹开发的生物炭吸附剂能够有效处理水体的重金属污染。本研究明晰了马缨丹生物炭对重金属铅、镉的吸附特性与吸附机理,为管理入侵物种以及去除污染水体中的重金属提供了切实有效的理论基础。将马缨丹开发为重金属吸附剂是一种经济,环保和生态可持续的双赢策略,这一策略具有显著的生态和环境效益。
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