不同生物質(zhì)制備的高溫生物炭對水中芳香性有機污染物的吸附機制及規(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，可以應用于土壤改良和廢水處理。生物炭進入土壤環(huán)境中，成為土壤有機質(zhì)的一部分，可與有機污染物相互作用，從而影響有機物的環(huán)境行為、環(huán)境歸趨和生物毒性。因此，研究有機污染物在生物炭上的吸附機制及規(guī)律，建立高溫生物炭對有機污染物的吸附

2、預測模型，對選擇合適的生物炭作為環(huán)境吸附劑，以及評價生物炭對環(huán)境中有機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)和表面化學性質(zhì)，對有機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)和表面化學性質(zhì)之間的定量關系，發(fā)展了以有機物

3、理化性質(zhì)和生物炭性質(zhì)參數(shù)為基礎的高溫生物炭吸附芳香性有機污染物的定量預測模型。并以典型的木屑生物炭(W700)為代表，研究了有機污染物在其上的脫附過程和機制。論文取得了以下研究結(jié)果:
　　(1)建立了生物炭吸附有機污染物等溫線的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)及表面化學性質(zhì)之間的定量關系，發(fā)展了以有機物理化性質(zhì)和生物炭性質(zhì)參數(shù)為基礎的高溫生物炭吸附芳香性有機污染

4、物的定量預測模型。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)呈線性正相關關系，表明高溫生物炭吸附芳香性有機污染物的機制主要為分子尺寸效應引起的孔填充作用。吸附親和力E值與有機物溶劑化參數(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系，證明高溫生物炭對芳香有機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C與微孔表面積占比Rmicro之間存在線性正相關關系，表明高溫生物炭吸附有機污染物的疏水

5、作用在微孔孔隙中比在介孔和大孔的表面明顯。多元溶劑化關系的系數(shù)π1與生物炭H/C之間具有線性負相關關系，表明芳香程度較高的生物炭具有更強的形成π-π鍵的能力。而多元溶劑化關系的系數(shù)β1幾乎為一個常數(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呈線性負相關，表明b值大小也與生物炭的芳香程度有關。通過獲得的定量關系，有機污染物的理化性質(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）可以定量預測芳香性有機污染物在高溫生物炭上的吸附行為。
　　(2)8種芳香性有機污染物（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。有機污染物與W700的吸附親和力（E值）強弱不會影響其脫附行為。芳香性有機污染物的表面官能團，π-π作用、氫鍵作用都不會導致脫附滯后。W700由于具有細長的剛性孔隙結(jié)構(gòu)，在吸附過程中不容易發(fā)生孔變形，且?guī)缀醪缓?/p>