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生物炭和改性生物炭对有机污染物的吸附—转化性能及作用机理

韩林  
【摘要】:生物炭是一种由生物质原料(农业废弃物为主)在限氧裂解条件下制得的富碳材料,由于优异的结构性质,其常被用作修复剂和改良剂施加到污染土壤中。本文首先介绍了生物炭的基本结构性能,并综述了生物炭对有机污染物吸附作用以及转化作用的最新研究进展。在此基础上,本论文选用了水稻秸秆和松木木屑作为生物质原材料,结合热重分析、元素分析、红外光谱分析、比表面积分析等不同分析手段,系统研究了不同裂解温度对生物炭的化学组成和结构组成的影响;随后选取了氯酚、苯酚、氯霉素、炔雌醇、磺胺嘧啶五种分子作为典型小分子及抗生素污染物代表,进一步研究了不同结构生物炭(不同温度水稻秸秆、松木木屑生物炭)对于有机污染物的吸附作用、机理及构-效关系;在吸附作用的基础上,选取了氯酚作为模型污染物分子,利用动力学研究手段,探究了生物炭结构对污染物的吸附-转化界面过程及微观作用机制;为增强生物炭对污染物的吸附/转化作用,进一步利用金属改性及溶剂清洗等方法,优化改性了生物炭的结构性质,并研究了改性结构对污染物吸附/转化能力的增强作用;为模拟实际土壤中生物炭的添加对污染物迁移转化影响,采用了土柱实验,研究了生物炭的添加在实际土壤修复领域的应用潜力。该论文较系统研究了裂解温度对生物炭结构性质的影响,探讨了生物炭对污染物吸附-转化的作用机理及构效关系,为安全高效利用生物炭修复污染土壤提供理论依据。取得的主要结论及创新点如下:(1)探明了生物炭的表面官能团性质、孔隙结构、表面持久性自由基含量与制备温度的关系。结果表明,随着制备温度的升高,生物炭极性官能团逐渐减少、芳构化程度逐渐增强、微孔孔隙结构逐渐增多、表面持久性自由基含量呈现出先升高后减少的趋势。(2)探究了不同温度木屑和水稻秸秆生物炭吸附对氯酚、苯酚、氯霉素、炔雌醇、磺胺嘧啶等可离子化有机污染物的性能、作用机理。结果表明,高温生物炭对氯酚、苯酚的吸附主要通过表面π-π相互作用,而对氯霉素、炔雌醇、磺胺嘧啶的吸附主要由电性作用决定。木屑生物炭对有机污染物的吸附性能强于水稻秸秆生物炭,源于木屑矿物成分较少,制得的木屑生物炭具备更丰富的孔隙结构与比表面积。(3)揭示了不同结构生物炭对模型污染物对氯酚的吸附-转化的性能以及影响因素。高温木屑生物炭吸附-转化对氯酚可通过“非自由基途径”,断裂C-C1键产生脱氯反应。相比于木屑生物炭,水稻秸秆在其丰富矿物组分的作用下,生物炭对于对氯酚具有更好的吸附-转化性能。(4)研究了金属离子改性(Fe3+、A13+、Mn2+)和溶剂清洗(水洗、醇洗)对生物炭结构及吸附-转化性能的影响。结果表明,铁基改性可显著增强木屑生物炭对有机污染物(苯酚、对氯酚、炔雌醇)的吸附-转化能力。而溶剂清洗则能通过去除水稻秸秆生物炭结构中的多余灰分,使更多的活性位点得以暴露,从而增强生物炭对污染物的吸附-转化能力。


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