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生物炭(biochar,BC)是指生物质在缺氧的环境中,经中等热解温度热降解获得碳含量丰富的多孔固体产物。生物炭的功能应用与其理化性质密切相关,然而生物炭的理化性质主要受生物质原料类型、热解工艺和前预处理或后预处理方式控制。本文以甲壳质基生物质-蟹壳(CS)废弃物为原料,制备不同热解温度的蟹壳生物炭(CB),主要考察热解温度对CB理化性质的影响,探讨CB的富磷性能和潜在富磷作用机理,并探讨富磷蟹壳生物炭(CBP)对铅去除潜能及作用机理。研究结果表明:(1)CB的理化性质与热解温度有密切联系。总体而言,随着热解温度的增大(400-700℃),CB的产率和挥发分含量逐渐减少,而灰分、固定碳、pH、电导率(EC)、pHzpc和比表面积(SSA)呈增大趋势。热解温度越高,CB的芳香化程度越大和疏水性越强,表明环境稳定性和固碳潜力越强。营养矿物含量随着热解温度的升高呈先增加后减小再增大的趋势,阳离子交换量(CEC)随着热解温度的增加先增加后减小。通过扫面电镜(SEM)可以发现,热解温度升高,表面越粗糙,促进了孔隙发育,比表面积越大。热重分析表明,CB1的质量损失随着热解温度的升高而减少,主要失重温度区间600-800℃,表明CB具有较高的热稳定性。傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线衍射(XRD)表明,随着热解温度的升高,O-H(3430cm-1)和-CH2(2926/2850 cm-1)的振动减弱或消失,而 1400 cm-1 和 874 cm-1(C032-)附近的伸缩振动先增强后减弱,代表CaC03结晶区域的衍射峰也呈现先增强后减弱的趋势。综上所述,热解温度对CB理化性质具有较大影响,热解温度为600℃时,CB的结晶化程度最大,当热解温高于600℃时,CB结构破坏,发生重结晶现象。相比与农林废弃物生物炭,CB表现出高产率,高灰分,高pH,低碳和低比表面积的性质。因此,研究热解温度对CB理化性质的影响为生物炭的功能应用提供基础支撑。(2)磷批式试验表明,热解温度为500℃的蟹壳生物炭(CB500)具有较好的富磷性能。考察了磷初始浓度,反应接触时间,反应体系温度和溶液pH对CB500富磷能力的影响。Langmuir模型比Freundlich模型能更好地拟合等温平衡数据,最大吸附量为252.04-262.29mg P/g,相关系数R2≥0.983,表明CB500对P043--P的富集过程是单层均质吸附。分离因子0<RL<1,表明CB500对P043_-P的吸附为有利吸附。此外,PO43-P吸附动力学能很好地用准二级动力学模型描述(R2≥0.993),理论最大计算吸附量(Qe,cal,95.71-118.51mgP/g)与实验获得的最大吸附量(Qe,exp,90.97-117.71mgP/g)接近,升高反应温度,有利于P043--P的富集,表明CB500对P043--P的富集属于化学吸附过程。粒内扩散模型的速率常数Kd1>K>2,常数C不过原点,表明PO43_-P富集主要受表面吸附过程和颗粒内部扩散过程共同控制,且内扩散过程不是限制速率的过程。热力学参数(AG°、AH°和AS°)表明,PO43-P在CB500上的富集属于非自发的吸热反应。反应活化能(Ea)为9.46KJ/mol。随着溶液pH的增大,P043_-P富集能力减弱,且吸附富集P043--P后,溶液pH有所下降(相比于0.01MNaCl溶液)。对比富集前后的FT-IR和XRD发现,吸附富集PO43-P后,CO32-(1400cm-1和874cm-1)附近的伸缩振动和CaCO3结晶区衍射峰减弱,PO43-(1062cm-1)附近的伸缩振动和Ca5(PO4)3OH结晶区域的衍射峰加强,说明P043-置换了 CO32-形成更稳定的Ca5(PO4)3OH和Ca3(PO4)2·nH20沉淀。综上,蟹壳生物炭展现出很好的富磷性能,富集过程属于非自发的吸热反应,受单层均质的化学吸附1 控制。潜在富集机制包括离子交换,静电作用,络合作用和表面化学沉淀。因此,将CS制备成CB用做环境功能剂富集水溶液中的PO43-P具有很大潜力。(3)CB对P043_P具有很好的富磷性能。为了实现富磷生物炭的应用功能,通过热解富磷蟹壳生物炭(CBP)探讨其对铅去除性能。热解温度为600℃时,富磷蟹CBP具有较好的Pb(Ⅱ)去除效果(达到原生炭Pb(Ⅱ)去除效果的92.44%)和较低的PO43—-P释放量(0.72mgP/g,原生炭PO43_-P释放量为0.67mgP/g)。考察反应体系温度,接触时间,溶液pH和Pb(Ⅱ)初始浓度对CBP去除Pb(Ⅱ)的影响。结果表明,随着温度,时间,pH和初始浓度的增大,CBP对Pb(Ⅱ)去除效果逐渐增大。通过等温吸附模型和动力学模型以及热力学模型的拟合计算,Langmuir模型(R2=0.998)和伪二级动力学(R2≥0.984)能更好地描述Pb(Ⅱ)去除过程,表明CBP对Pb(Ⅱ)的去除受化学吸附过程占主导地位的均质单层吸附。由Langmuir模型获得的最大吸附量(Qm,ca1)为 1052.02mg Pb/g(Qm,exp 1047.25mg Pb/g)。热力学参数 △G°(-0.59-0.22KJ/mol)、△H°(8.23KJ/mol)、△S°(27.56J/(mol.K))和 Ea(27.94KJ/mol),表明CBP对Pb(Ⅱ)的吸附是低温非自发,高温自发的吸热反应过程。Langmuir-Langmuir 模型(R2=0.990,Ze=1047.25mg/g)表明,65.60%的 Pb(Ⅱ)去除归功于表面沉淀,34.40%归功于表面吸附。吸附Pb(Ⅱ)后,溶液pH(相比与对照实验,O.O1MNaCl)有所下降。对比吸附Pb(Ⅱ)前后的FT-IR和XRD发现,吸附Pb(Ⅱ)后,3347cm-1(O-H)、1729cm-1(C=O)、1420cm-1(CO32-)、938cm-1(内部 O-H 弯曲振动)、873cm—1(C032_)的吸收振动峰发生变化,新增了 1051cm-1 839cm-1和678cm-1附近的吸收振动峰。此外,CaC03和Ca5(P04)30H或Ca3(PO4)2·nH20结晶区域的衍射峰减弱或消失了,而增加了 Pb5(P04)30H和PbO结晶区域的衍射峰。表明Pb(Ⅱ)去除主要是取代了 Ca2+形成更稳定的Pb5(P04)30H沉淀。综上,CBP对Pb(Ⅱ)去除的具有很大潜力,潜在去除机理:络合作用,离子交换,表面沉淀和粒内扩散作用。因此,富磷蟹壳生物炭对于铅去除,可以降低富磷的底泥的环境风险,实现资源的无害化利用。