不同生物質(zhì)制備的高溫生物炭對水中芳香性有機(jī)污染物的吸附機(jī)制及規(guī)律.pdf

1、將生物質(zhì)制備成生物炭，是減緩CO2氣體排放和溫室效應(yīng)的一種有效手段。高溫(600-700℃)制備的生物炭，由于具有較大的比表面積、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和高度芳香性，對有機(jī)污染物具有優(yōu)異的吸附能力，是一種潛在的高效吸附劑，可以應(yīng)用于土壤改良和廢水處理。生物炭進(jìn)入土壤環(huán)境中，成為土壤有機(jī)質(zhì)的一部分，可與有機(jī)污染物相互作用，從而影響有機(jī)物的環(huán)境行為、環(huán)境歸趨和生物毒性。因此，研究有機(jī)污染物在生物炭上的吸附機(jī)制及規(guī)律，建立高溫生物炭對有機(jī)污染物的吸附

2、預(yù)測模型，對選擇合適的生物炭作為環(huán)境吸附劑，以及評價(jià)生物炭對環(huán)境中有機(jī)污染物的行為影響具有重要意義。生物質(zhì)來源廣泛，種類繁多，不同生物質(zhì)制備的生物炭由于具有不同的結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，對有機(jī)污染物的吸附行為存在顯著差異。因此，本文選擇5種不同來源的生物質(zhì)（包括木屑、秸稈、纖維素、木質(zhì)素和甲殼素）在700℃制備高溫生物炭，研究了他們對25種典型芳香性有機(jī)污染物的吸附行為，建立了吸附行為與生物炭結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系，發(fā)展了以有機(jī)物

3、理化性質(zhì)和生物炭性質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)的高溫生物炭吸附芳香性有機(jī)污染物的定量預(yù)測模型。并以典型的木屑生物炭(W700)為代表，研究了有機(jī)污染物在其上的脫附過程和機(jī)制。論文取得了以下研究結(jié)果:
　　(1)建立了生物炭吸附有機(jī)污染物等溫線的Dubinin-Ashtakhov(DA)模型擬合參數(shù)Q0（飽和吸附量）和E（吸附親和力）與生物炭結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)性質(zhì)之間的定量關(guān)系，發(fā)展了以有機(jī)物理化性質(zhì)和生物炭性質(zhì)參數(shù)為基礎(chǔ)的高溫生物炭吸附芳香性有機(jī)污染

4、物的定量預(yù)測模型。研究發(fā)現(xiàn)，Q0與生物炭的總孔體積(Ktotal)和平均微孔孔徑(D)呈線性正相關(guān)關(guān)系，表明高溫生物炭吸附芳香性有機(jī)污染物的機(jī)制主要為分子尺寸效應(yīng)引起的孔填充作用。吸附親和力E值與有機(jī)物溶劑化參數(shù)（極性極化率π*、氫鍵供質(zhì)子能力αm）之間呈多元溶劑化關(guān)系，證明高溫生物炭對芳香有機(jī)物的吸附過程中存在π-π作用，氫鍵作用和疏水作用。常數(shù)項(xiàng)C與微孔表面積占比Rmicro之間存在線性正相關(guān)關(guān)系，表明高溫生物炭吸附有機(jī)污染物的疏水

5、作用在微孔孔隙中比在介孔和大孔的表面明顯。多元溶劑化關(guān)系的系數(shù)π1與生物炭H/C之間具有線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明芳香程度較高的生物炭具有更強(qiáng)的形成π-π鍵的能力。而多元溶劑化關(guān)系的系數(shù)β1幾乎為一個(gè)常數(shù)，表明不同種類的高溫生物炭形成氫鍵的能力受材料性質(zhì)差異影響很小。吸附親和力參數(shù)b與生物炭的H/C呈線性負(fù)相關(guān)，表明b值大小也與生物炭的芳香程度有關(guān)。通過獲得的定量關(guān)系，有機(jī)污染物的理化性質(zhì)參數(shù)（如溶劑化參數(shù)，分子尺寸）和生物炭的性質(zhì)參數(shù)（如總

6、孔體積，H/C）可以定量預(yù)測芳香性有機(jī)污染物在高溫生物炭上的吸附行為。
　　(2)8種芳香性有機(jī)污染物（包括3種苯酚類、2種苯胺類、3種硝基苯類）在700℃木屑制備生物炭(W700)上的脫附是完全可逆的，不存在脫附滯后現(xiàn)象。有機(jī)污染物與W700的吸附親和力（E值）強(qiáng)弱不會影響其脫附行為。芳香性有機(jī)污染物的表面官能團(tuán)，π-π作用、氫鍵作用都不會導(dǎo)致脫附滯后。W700由于具有細(xì)長的剛性孔隙結(jié)構(gòu)，在吸附過程中不容易發(fā)生孔變形，且?guī)缀醪缓?/p>