水稻秸秆及其厌氧消化物制备生物炭对模拟废水中铅吸附性能的研究

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生物炭(BC)是指生物有机质在无氧或缺氧条件下低温热解转化后的固体产物,主要由无定形碳、芳香族碳和灰分组成。本文以水稻秸秆(RS)及其厌氧消化物(DRS)为原料,以热解终温、热解时间和升温速率为热解条件参数制备水稻秸秆生物炭(RSBC)和水稻秸秆厌氧消化物生物炭(DRSBC),分别计算和测定其基本理化特性,并对溶液中铅进行吸附,考察初始浓度、反应时间、溶液pH、体系温度等对吸附性能的影响。利用吸附动力学模型、等温线模型及重金属吸附前后生物炭理化特性的差别分析吸附过程的潜在机理。研究结果表明:(1)水稻秸秆的最终残留量明显低于其厌氧消化物的最终残留量,RS的主要质量损失阶段出现在200500℃的温度范围内,RS主要组分裂解峰值处的温度低于DRS裂解峰值处的温度,说明水稻秸秆比其厌氧消化物更容易裂解,其厌氧消化物的热稳定性更高。RSBC和DRSBC的产率都随热解终温、恒温时间和升温速率的增加而逐渐降低,热解终温对生物炭产率影响最大。所有BC均在100℃左右出现失重峰,主要是由于自由水和结合水的脱水造成。生物炭的与原材料相比在200400℃之间,失重较不明显。随着生物炭制备温度的增加,在400550℃区间处失重质量和失重速率逐渐减小,这是由于在低温(400和500℃)热解时碳化不完全,在热重分析中纤维素和木质素进一步碳化,造成一定的质量损失。高温下制备的BC(600和700℃),木质素热解相对完全,因此在固碳和还田上具有更好的稳定性。(2)生物炭的理化性质与原材料和热解温度有着密切联系。随着热解温度的增加,含水率占比与挥发分呈现下降趋势,灰分的含量呈上升趋势。此外,在DRSBC中灰分含量与相应的RSBC相比高出25.5-29.2%,这与生物炭产率类似。随着热解温度的升高,热解所制生物炭pH升高,相较于水稻秸秆生物炭,在相同制备条件下DRSBC的pH较低。电导率随着温度的升高而趋向增高,说明其中可溶性盐的含量在逐渐增加。随着温度的升高BC的比表面积呈现增大趋势,但在700℃时RSBC的比表面积有所下降。H和O的元素含量与H/C和O/C比值随着热解温度的升高而降低,C含量随热解温度的增加而增加。RS制备的生物炭Na,Ca,Mg和P的含量要低于DRS所制备生物炭相应元素的含量,然而DRSBC中的K含量显著低于RSBC。随着温度的升高,K、Na、Ca、Mg这些矿物质元素的含量呈增高趋势,说明其在RS和DRS中主要是以无机物形式存在。红外光谱显示3400-3430 cm-1(-OH),2850-2950(脂肪族-CH2),1630到1580 cm-1和1430到1390 cm-1之间的特征(C=O)振动随温度升高而减弱,这是由于纤维素、羟基和脂肪族烷基的热解和高温对芳香羰基和羟基的热破坏。在1100,800和470 cm-1的三个特征峰均归属于Si-O-Si。RSBC中含Si基团的振动强度随温度升高而减弱,这意味着高温有利于硅晶体的形成。(3)随着升温速率和恒温时间的增加,生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附量整体呈上升趋势,而随着热解终温的增加,生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附量先增加后减小。较高的温度和初始铅浓度有利于生物炭对铅的吸附。RS-500对Pb(Ⅱ)的吸附随溶液pH值的增加而增加,而DRS-500对铅的吸附量随溶液pH值的增加而减小。RS-500对铅的吸附量在最初的2小时内急剧上升,之后吸附逐渐减缓并在12h基本达到吸附平衡,而DRS-500对Pb(Ⅱ)的吸附非常缓慢,在48h还未达到吸附平衡。与Freundlich模型相比Langmuir模型具有更高的拟合度,表明RS-500和DRS-500对Pb(Ⅱ)的吸附主要是单分子层的富集过程。通过Langmuir模型所得的RS-500和DRS-500对Pb(Ⅱ)的最大吸附量分别为276.3和90.5mg·g-1。二级动力学的相关系数能更好的拟合该吸附过程,同时二级动力学回归方程得到的RS-500和DRS-500理论平衡吸附量分别为240.10和124.84 mg·g-1与试验所得的实际值更接近。ΔG0均为负值,说明吸附反应过程都是自发的,随着温度的升高自发的吸附过程越容易进行。对比吸附Pb(Ⅱ)前后的FT-IR和XRD发现,COO-的吸收振动峰发生了变化,而增加了β-Pb9(PO46、PbO·P2O5·SiO2和Pb3(CO32(OH)2结晶区域的衍射峰,络合作用,离子交换和表面沉淀为RSBC和DRSBC对Pb(Ⅱ)的潜在去除机理。
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