生物炭对水体镉的吸附特性与机制

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生物炭对重金属的吸附研究,不仅为重金属污染治理提供理论依据,也为农林废弃物的资源化提供新途径。本研究分别在300 oC、500 oC和700 oC下制备香根草生物炭(VBC300、VBC500和VBC700)、桉树叶生物炭(EBC300、EBC500和EBC700)和稻秆生物炭(RBC300、RBC500和RBC700),并通过BET-N2、Zeta电位和元素分析等方法研究其理化性质;在对比三种生物炭对Cd2+的吸附特性基础上,筛选性能较佳的稻秆生物炭;采用SEM-EDS、XRD、FTIR和Boehm滴定等手段,对稻秆生物炭吸附Cd2+的机制进行定性和定量研究。研究结果如下:(1)不同热解温度对生物炭理化性质的影响。随热解温度升高,三种生物炭的产率逐渐降低,灰分含量上升,pH均呈碱性且升高,比表面积逐渐增大,Zeta负电荷量有所上升。其中,温度与产率、灰分和pH等呈极显著相关关系。值得注意的是,稻秆生物炭灰分含量高达42.43%,比表面积高达到242.53 m2/g,均大于其它两种生物炭;水溶性的K+、Na+、CO32-和PO43-含量丰富,Si元素含量较高。(2)生物炭对Cd2+的吸附特性。三种生物炭的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型,以化学吸附为主,平衡时间顺序均为BC700BC500>BC300。值得注意的是,稻秆生物炭达到平衡的时间相对较短,尤其是RBC700,在Cd2+初始浓度为50 mg/L时,平衡时间仅为5 min。稻秆生物炭的最大吸附量均高于其它两种生物炭,尤其是RBC700(127.46 mg/g)。(3)稻秆生物炭对Cd2+的吸附机制。主要机制包括:沉淀作用、离子交换作用、官能团螯合作用和Cd2+-?螯合作用。其中,沉淀和离子交换作用是重要的吸附机制,这两种机制对总吸附的贡献率范围是76.10%80.74%;官能团螯合作用和Cd2+-?螯合作用也发挥一定的作用,二者对总吸附的贡献率范围是19.26%23.90%。
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