生物质炭对水体/红壤中Cu（Ⅱ）的去除和固定作用

论文摘要

我国农业生产中每年都产生大量的农作物秸秆等农业废弃物,虽然其中有部分已经通过直接还田、牲畜饲养或作为工业原料、燃料等方式得到处置,但仍有超过2亿吨的秸秆直接在田间焚烧。秸秆焚烧不仅造成资源浪费,还会污染环境,带来一系列的社会问题。另一方面,随着我国铜矿的开发、冶炼以及含铜电镀废水的超标排放,含铜农药的喷洒,污水灌溉等,水体中、土壤中的铜逐渐累积,造成严重污染。重金属铜在水体、土壤中不能被微生物分解利用,而是通过富集作用存在于水体和土壤中,并通过食物链传递危害人类健康。生物质炭是生物质在厌氧或者绝氧的条件下进行热解,生成的一种含碳丰富的固体物质。生物质炭表面含有大量可变负电荷、活性含氧官能团,能有效吸附水体、土壤中重金属,但目前对生物质炭吸附重金属能力、机制还不清楚。为此,本文选择花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆和稻草等四种农作物秸秆,采用厌氧热解的方法制备了相应的生物质炭,研究了这些生物质炭对水体中Cu（Ⅱ）的吸附和去除及对土壤固定、吸附Cu（11）的影响,实验结果可为废水中重金属铜的去除、重金属污染土壤的修复提供参考。本研究主要开展了以下三方面的工作：（1）选择三种农作物秸秆（花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆）于400℃热解温度下制备了三种相应的生物质炭用于Cu（Ⅱ）的吸附、解吸实验。研究结果表明,在pH3.5-6.0的范围内,生物炭对Cu（Ⅱ）的吸附量随着溶液pH的升高而升高。三种生物炭吸附Cu（Ⅱ）能力大小顺序为：花生秸秆炭>大豆秸秆炭>油菜秸秆炭,生物炭吸附Cu（Ⅱ）离子能力越强,吸附的Cu（Ⅱ）被中性盐的解吸越弱。生物炭表面有丰富的-COOH和-OH等含氧官能团,Cu（Ⅱ）在生物炭炭表面形成有机络合物使-COOH吸附峰位移。Cu（Ⅱ）吸附还使生物炭炭颗粒的Zeta电位向正值方向位移,说明发生了专性吸附。生物质炭对铜的吸附符合Langmuir等温模型（R2>0.99）,三种生物质炭在pH为4.5,5.0时的最大吸附量分别在0.48-0.79mol·kg-1和0.58-1.40mol·kg-1范围内。商品活性炭在pH5.0时,最大吸附量为0.18mol·kg-1。因此,三种生物炭对铜离子的吸附量远远大于商品活性炭,是廉价高效吸附剂。（2）选用花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆和稻草秸秆四种农作物秸秆,采用厌氧加热的方法将花生秸秆、油菜秸秆制备成300℃、400℃、500℃的生物质炭,大豆秸秆和稻草秸秆热解温度不变（400℃）。研究了物料来源、热解温度、生物质炭用量、混合反应时间和废水初始pH值对生物质炭去除酸性电镀废水中Cu（Ⅱ）的效果的影响。结果表明：热解温度为400℃的花生秸秆生物炭,混合反应时间为8h下,按每升废水中加入生物炭20g进行处理,Cu（Ⅱ）去除率可达98%以上。生物质炭不仅适用于一般浓度含Cu（Ⅱ）废水,也适用于高浓度含Cu（Ⅱ）酸性电镀废水的处理。（3）选择四种农作物秸秆（花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆、稻草秸秆）于400℃热解温度下制备了四种相应的生物质炭,研究了生物质炭对采自江西进贤和广西柳州两种红壤吸附Cu（Ⅱ）的影响。结果表明,添加由农作物秸秆制备的生物质炭提高了红壤对Cu（Ⅱ）的吸附量,生物质炭对Cu（Ⅱ）吸附的促进作用随生物质炭添加量的增加而显著增加,低pH下促进作用更加明显。pH4.0和2%生物质炭添加水平下,油菜秸秆炭、花生秸秆炭、大豆秸秆炭和稻草炭使江西红壤对Cu（Ⅱ）的吸附量相对对照分别增加97%、79%、51%和54%；花生秸秆炭和大豆秸秆炭使广西红壤对Cu（Ⅱ）吸附量较对照分别增加61%和44%,当生物质炭添加水平达4%时,Cu（Ⅱ）吸附量的增幅达97%和165%。生物质炭表面带负电荷,可以同时增加红壤对Cu（Ⅱ）的静电吸附量和专性吸附量,但以增加专性吸附为主。因此,添加秸秆生物质炭可以有效降低Cu（Ⅱ）在酸性红壤中的活动性和生物有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1 铜污染
• 1.1 铜污染的危害
• 1.2 国内外常见水体、土壤中重金属铜的去除方法
• 2 生物质能
• 3 我国农作物秸秆利用现状
• 4 国内外生物质炭研究现状
• 4.1 生物质炭概念
• 4.2 生物质炭的性质
• 4.3 生物质炭国内外研究进展
• 5 本论文研究目标、意义及内容
• 5.1 研究目标
• 5.2 研究意义
• 5.3 研究内容
• 5.4 研究技术路线
• 参考文献
• 第二章 三种农作物秸秆制备的生物质炭对模拟废水中Cu（Ⅱ）的吸附机理
• 摘要
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 材料的制备
• 2.1.1 生物质炭的制备
• 2.1.2 溶液的配制
• 2.1.3 农作物秸秆化学成分测定
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 吸附解吸实验
• 2.2.2 Zeta电位测定
• 2.2.3 外光声光谱分析
• 3 结果与讨论
• 3.1 pH对生物质炭吸附、解吸Cu（Ⅱ）的影响
• 3.2 Cu（Ⅱ）吸附对生物质炭的zeta电位和红外光谱的影响
• 3.3 不同生物质炭吸附Cu（Ⅱ）的吸附等温线
• 4 结论
• 参考文献
• 第三章 农作物秸秆制备的生物质炭对酸性电镀废水中Cu（Ⅱ）的去除
• 摘要
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 生物质炭的制备
• 2.1.2 电镀废水的预处理
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 不调pH的实验
• 2.2.2 调pH的实验
• 2.2.3 生物质炭含碱量
• 3 结果与讨论
• 3.1 混合反应时间对Cu（Ⅱ）去除率及溶液pH的影响
• 3.2 不同温度制备的花生秸秆生物炭对Cu（Ⅱ）去除率及溶液pH的影响
• 3.3 生物质炭用量对Cu（Ⅱ）去除率及溶液pH的影响
• 3.4 废水初始pH对Cu（Ⅱ）去除率和平衡pH的影响
• 4 结论
• 参考文献
• 第四章 添加农作物秸秆炭对红壤吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 摘要
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 供试土壤与生物质炭
• 2.2 实验方法
• 3 结果与讨论
• 3.1 两种红壤对Cu（Ⅱ）的吸附等温线
• 3.2 油菜秸秆炭和稻草炭对江西红壤吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 3.3 花生秸秆炭和大豆秸秆炭对两种红壤吸附Cu（Ⅱ）的影响
• 4 结论
• 参考文献
• 第五章 全文结论
• 1 主要结论
• 2 创新之处
• 3 不足之处
• 4 研究展望
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表文章和申请专利目录
• 致谢