微米與納米級(jí)竹炭的表征及其對(duì)土壤吸附菲的影響與機(jī)理.pdf

1、納米技術(shù)發(fā)展日新月異，由于納米材料的高活性和反應(yīng)速率，其優(yōu)越性能引起了公眾及學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。然而納米材料的分散穩(wěn)定性與性能存在極大的關(guān)聯(lián)，因此如何提高納米材料穩(wěn)定性也是一重要議題。竹炭是一種由竹子燒制而成的富碳材料，具有多孔、高比表面、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，日常生活中常做除臭劑與抑菌劑。考慮到竹炭性質(zhì)穩(wěn)定及納米顆粒的優(yōu)異性能，本文以微米和納米級(jí)竹炭為對(duì)象，系統(tǒng)表征和比較研究其特性，從土壤類(lèi)型、竹炭添加量和竹炭粒徑三個(gè)方面揭示了微米和納米級(jí)竹

2、炭對(duì)菲吸附過(guò)程的影響和機(jī)理，同時(shí)對(duì)吸附過(guò)程中官能團(tuán)的吸附容量進(jìn)行了初步的探討。得到的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)微米與納米級(jí)竹炭的表征。兩種竹炭含有相似的元素組成（高C、低H和低N）及其表面上的各種官能團(tuán)（羧基、羥基等）。然而，納米級(jí)竹炭(NBC)具有比微米級(jí)竹炭(MBC)更大的比表面積與總孔體積，并且由于顆粒間形成的中孔和大孔，相對(duì)高壓下，NBC的吸附?jīng)]有受限，更容易產(chǎn)生多層吸附。從XRD結(jié)果來(lái)看，由于燒制的溫度與原材料的影響

3、，它們都發(fā)生了一定的石墨化作用，且程度相近。13C核磁共振結(jié)果表明，與MBC相比，NBC的非質(zhì)子化芳香碳含量更高，且平均稠環(huán)芳香碳個(gè)數(shù)和平均稠環(huán)連接的氧原子數(shù)更多。
　　(2)液相體系中微米與納米級(jí)竹炭對(duì)菲的吸附特征。受到粒徑的影響，MBC和NBC之間的吸附系數(shù)存在較大差異。結(jié)果表明，NBC比MBC對(duì)菲的吸附非線(xiàn)性更明顯，可能因?yàn)榧{米尺度下NBC的表面異質(zhì)性更強(qiáng)。根據(jù)系統(tǒng)表征結(jié)果，由于其較大的孔體積、表面積和非質(zhì)子化的芳香族碳，N

4、BC的吸附系數(shù)Kd(Ce=0.001Sw)達(dá)到1.24×106，是MBC的10倍，因而NBC對(duì)菲有更強(qiáng)的親和力。與一些其他常見(jiàn)的生物炭和納米材料相比，MBC對(duì)菲的吸附能力與文獻(xiàn)中報(bào)道的生物炭以及其他納米材料無(wú)較大差異，但是NBC的吸附能力顯著提高。
　　(3)土水體系中微米和納米級(jí)竹炭對(duì)菲的吸附機(jī)制。兩種竹炭對(duì)菲的吸附受到土壤性質(zhì)、竹炭添加量以及粒徑的影響。棕壤和磚紅壤對(duì)菲的吸附能力差異較大，但添加NBC后，土壤之間吸附能力差距縮

5、小，表明NBC對(duì)菲吸附能力較大，能夠在一定程度上緩解土壤性質(zhì)對(duì)菲吸附過(guò)程的影響。隨著竹炭添加量升高，吸附量逐漸增加，并在1.0％添加量時(shí)達(dá)到最大。值得注意的是，雖然NBC可能與土壤組分發(fā)生作用并凝聚，但是NBC的性能并沒(méi)有被復(fù)雜的土壤組分所削弱。添加0.2％ NBC的土壤，仍比添加1％ MBC的土壤有更強(qiáng)的菲吸附能力，表明在不影響吸附效果的前提下可以通過(guò)減小顆粒尺寸來(lái)減少土壤中竹炭添加量。與其他類(lèi)型生物炭添加到土壤中的結(jié)果相比，添加MB

6、C的土壤和文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果相似，但添加NBC的土壤具備更強(qiáng)的菲吸附能力。因此，在一定程度上，NBC解決了土壤性質(zhì)不同對(duì)吸附能力的影響和納米材料穩(wěn)定性這兩個(gè)問(wèn)題。
　　(4)微米與納米級(jí)竹炭表面羧基和羥基對(duì)菲的吸附容量。通過(guò)化學(xué)方式（酯化反應(yīng)與羥醛縮合反應(yīng)）對(duì)竹炭表面羧基及羥基進(jìn)行掩蔽，使用高濃度線(xiàn)性模型模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并計(jì)算兩種官能團(tuán)對(duì)菲的相對(duì)吸附容量（絕對(duì)容量占總?cè)萘堪俜直龋┡c絕對(duì)吸附容量。結(jié)果表明兩種化學(xué)掩蔽方法能夠在不影響竹炭其

7、他重要結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)的羧基與羥基進(jìn)行掩蔽。就相對(duì)吸附容量而言，MBC和NBC的兩種官能團(tuán)相對(duì)吸附容量之和約為10％，其他機(jī)制占約90％，表明對(duì)于兩種竹炭，菲吸附過(guò)程中，羧基和羥基的吸附容量遠(yuǎn)小于其他機(jī)制的吸附容量，可能是由于兩種竹炭含有豐富的芳香碳和孔隙，主要通過(guò)疏水作用和孔隙填充作用與菲結(jié)合。就絕對(duì)吸附容量而言，盡管SBC的吸附總?cè)萘窟h(yuǎn)小于MBC和NBC，但是其兩種官能團(tuán)吸附菲的絕對(duì)容量大于MBC和NBC，說(shuō)明對(duì)于不同種類(lèi)生