幾種添加劑對水熱炭的制備及吸附Pb(Ⅱ)的影響.pdf

1、水熱炭是一種將生物質(zhì)資源水熱碳化制備而成的綠色、環(huán)保、無毒的炭材料。針對普通水熱炭吸附性能較低的問題，本文嘗試在水熱碳化過程中添加KMnO4、Fe(NO3)3和Zn(NO3)2三種化學(xué)物質(zhì)，采用化學(xué)改性的方法提高水熱炭的吸附性能。在研究中選擇Pb(Ⅱ)為模型污染物評價水熱炭的吸附性能，并對一系列水熱炭樣品進行了詳細的表征。
　　本論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、KMnO4溶液中四種改性水熱炭的形成、表征及其對Pb(Ⅱ

2、)的吸附性質(zhì)
　　分別以花生殼、柳木屑、玉米秸稈和牛糞四種典型生物質(zhì)為原料，以Pb(Ⅱ)為模型污染物，在水溶液和KMnO4溶液介質(zhì)中分別制備出花生殼水熱炭(PSC)和錳改性花生殼水熱炭(5％PSC、10％PSC和15％PSC)，柳木水熱炭(WHC)和錳改性柳木炭(5％WHC)，玉米秸稈水熱炭(CSC)和錳改性玉米秸稈水熱炭(5％CSC、10％CSC和15％CSC)，牛糞水熱炭(CDC)和錳改性牛糞水熱炭(5％CDC)。對水熱炭的灰

3、分和元素組成進行了分析，用X-射線衍射(XRD)和傅立葉變換紅外光譜(FTIR)進行了表征，并通過吸附率-pH曲線比較了錳改性對水熱炭吸附性能的影響，研究了四種水熱炭對Pb(Ⅱ)的吸附熱力學(xué)和動力學(xué)行為。結(jié)果表明:(1)KMnO4改性后四種不同生物質(zhì)原料制備的水熱炭的灰分含量均增加，但C、H、O、N含量的變化并不一致。(2)對于花生殼水熱炭來說，15％PSC和10％PSC對Pb(Ⅱ)的吸附較好地符合Langmuir吸附方程(R2均大于0

4、.99)，而PSC和5％PSC對Pb(Ⅱ)的吸附則較好地符合Freundlich吸附等溫方程(R2＞0.96)，其對Pb(Ⅱ)的吸附能力大小為15％PSC＞10％PSC＞5％PSC＞PSC。(3)對于柳木水熱炭來說，WHC和5％WHC對Pb(Ⅱ)的吸附過程均較好地符合Langmuir等溫方程(R2＞0.94)，飽和吸附量分別為24.28和95.05 mg·g-1。(4)對于玉米秸稈和牛糞水熱炭來說，CSC、CDC對Pb(Ⅱ)的吸附數(shù)據(jù)較

5、好地符合Freundlich吸附等溫方程，而錳改性后5％ CSC、10％ CSC、15％ CSC和5％CDC對Pb(Ⅱ)的吸附數(shù)據(jù)則較好地符合Langmuir吸附等溫方程(R2＞0.9)，且改性后對Pb(Ⅱ)的吸附均為有利吸附。(5)對四種生物質(zhì)原料制備的水熱炭來說，它們對Pb(Ⅱ)的吸附動力學(xué)過程均非常好地符合準(zhǔn)二級動力學(xué)方程(R2＞0.9)。(6)四種生物質(zhì)原料制備的水熱炭對Pb(Ⅱ)的吸附能力為牛糞＞柳木屑＞花生殼＞玉米秸稈。

6、r>　　2、鐵鹽對柳木水熱炭的制備及其對Pb(Ⅱ)吸附性能的影響
　　以柳木屑生物質(zhì)為原料，分別在水溶液、0.1 mol·L-1 HNO3、0.1 mol·L-1 NaOH和0.5 mol·L-1 HNO3溶液介質(zhì)中制備出經(jīng)硝酸鐵改性的柳木炭，標(biāo)記為NHC、H-NHC、OH-NHC和5H-NHC，幾種水熱炭對Pb(Ⅱ)在pH=5.5條件下的吸附率大小為分別5H-NHC＞H-NHC＞NHC＞OH-NHC。對吸附性能最好的5H-NHC

7、和NHC進行詳細的表征，同時研究了兩種鐵改性水熱炭對Pb(Ⅱ)的吸附熱力學(xué)和動力學(xué)行為。結(jié)果表明:(1) NHC的灰分含量和芳香性要高于5H-NHC，但極性低于5H-NHC。(2) NHC和5H-NHC均含有一些孔結(jié)構(gòu)，兩種水熱炭具有相似的表面官能團和晶相結(jié)構(gòu)。(3) NHC和5H-NHC在pH為5.5附近時對Pb(Ⅱ)的吸附最好，且最佳投加量為lg·L-1。(4) NHC和5H-NHC對Pb(Ⅱ)的吸附動力學(xué)行為均符合準(zhǔn)二級動力學(xué)模型

8、，用準(zhǔn)二級方程擬合得到的平衡吸附量的大小順序是5H-NHC(42.900 mg·g-1)＞NHC(32.321 mg·g-1)。(5)NHC和5H-NHC對Pb(Ⅱ)的等溫吸附均為有利吸附，且吸附數(shù)據(jù)更符合Freundlich方程。
　　3、介質(zhì)酸堿性和鋅鹽對柳木水熱炭的制備及吸附Pb(Ⅱ)的影響
　　以柳木屑生物質(zhì)為原料，采用水熱碳化的方法，分別在0.5 mol·L-1 HNO3、H2O和0.5 mol·L-1 NaOH溶

9、液介質(zhì)中添加硝酸鋅水熱碳化制備出三種改性水熱炭，分別標(biāo)記為H-ZHC、ZHC和OH-ZHC。對三種改性水熱炭進行了詳細的表征，分析了溶液酸堿性對水熱炭形貌、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的影響，同時研究了三種改性水熱炭對重金屬Pb(Ⅱ)的吸附行為。結(jié)果表明:(1) OH-ZHC的產(chǎn)率最低，灰分、C含量最高，具有較強的芳香性，通過XRD分析確認OH-ZHC表面負載的微球顆粒為ZnO。(2)三種溶液介質(zhì)中制備的水熱炭的比表面積大小為ZHC＞H-ZHC＞OH-Z