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不同原料生物质炭基本性质及其对溶液中Cd~(2+)和Pb~(2+)吸附特性的研究

刘莹莹  
【摘要】:随着现代化农业的发展,农作物产量增加的同时农业废弃物的总量也呈上升趋势。但目前其利用率很低,由于不合理的处理方式导致水体、大气、土壤等方面受到污染。我国是一个农业大国,目前已成为世界上农业废弃物产出率最大的国家,因此农业废弃物的资源化利用和无害化处理对我国尤为重要。生物质炭是由植物生物质在完全或部分缺氧的情况下经热裂解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。作为农业废弃物资源化方法的一种,利用农业废弃物制备生物质炭可以有效地解决农业废弃物的处理与处置问题.由于其具有高度的稳定性和较强的吸附性能,在全球碳生物地球化学循环、气候变化和环境系统中也发挥重要作用。本论文选择三种不同作物原料经350℃~500℃热裂解制成的生物质炭,研究三种生物质炭的特性,揭示生物质炭对土壤改良的作用机理,探讨三种生物质炭作为土壤改良剂对提高土壤肥力等方面的潜在价值。并进一步开展了其对水溶液中Cd2+和Pb2+的吸附特性的研究,结合生物质炭特性揭示其作用机理,并探讨生物质炭作为吸附材料对处理重金属污水的潜在价值。主要研究结果如下: 1.以小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳为原料热裂解制成的生物质炭为对象,研究了三种不同生物质炭的基本理化性质、表面特性和养分特性。不同生物质炭性质的差异性主要取决于其原料的不同。三种生物质炭均具有较大的pH值,填充密度均较低。花生壳炭的电导率及水溶性盐总量均远高于另外两种生物质炭,说明在改良土壤理化性质、提高土壤肥力方面,花生壳炭比小麦秸秆炭和玉米秸秆炭具有更大的优势。玉米秸秆炭的阳离子交换量与含氧官能团量都高于小麦秸秆炭和花生壳炭,说明玉米秸秆炭具有良好的吸附特性。玉米秸秆炭的碳氮比、全钾、速效钾、速效磷和速效氮含量均高于小麦秸秆炭与花生壳炭,说明玉米秸秆炭还可以为植物提供速效养分。 2.研究了三种生物质炭对水溶液中Cd2+和Pb2+的吸附特性,考察pH值、吸附时间、溶液初始质量浓、生物质炭粒径和投加量对吸附效果的影响。结果表明:生物质炭对Cd2+和Pb2+的吸附约10min即达平衡。三种生物质炭对Cd2+和Pb2+的等温吸附均可用Langmuir方程和Freundlich方程拟合。三种生物质炭对Cd2+和Pb2+的最大吸附量相当于或高于粘土矿物,且玉米秸秆炭对Cd2+和Pb2+的最大吸附量远大于小麦秸秆炭和花生壳炭。在生物黑炭投加量为150mg (6g·L-1)时,三种生物黑炭对溶液Cd2+的去除率均在90%以上,玉米秸秆炭对溶液Pb2+的去除率达90.30%,而小麦秸秆炭和花生壳炭的去除率仅为52%和47%,玉米秸秆炭有望成为处理重金属污染废水的新型吸附材料。供试三种生物质炭对Cd2+/Pb2+的吸附机制可能是以化学吸附与物理吸附相结合的方式进行.


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