腐殖酸负载对萘和1-萘酚在生物炭上吸附动力学的影响

进入环境的生物炭对有机污染物的吸附过程受到普遍共存的溶解性有机质的影响.本研究将两种腐殖酸组分负载在以玉米秸秆为原料、不同炭化温度下(200、400、600℃)制得的生物炭上,考察极性和非极性有机污染物萘和1-萘酚在原始和腐殖酸负载生物炭上的吸附动力学,分别应用拟一级、拟二级和双室一级3种动力学模型对实验数据进行拟合.结果表明,拟二级和双室一级动力学模型均能较好地描述动力学吸附过程.腐殖酸负载对生物炭上萘和1-萘酚的吸附动力学有显著影响,使得平衡吸附量(Qe)下降,而表观吸附速率提高.致密的芳香碳组分和纳米级孔隙主要对萘和1-萘酚在生物炭上的慢吸附单元起作用,腐殖酸负载降低了生物炭的芳香化程度和孔隙度,慢吸附对总吸附的贡献(fslow)降低.生物炭内部有机碳的致密性降低,使得萘和1-萘酚分子容易扩散进入生物炭颗粒内部,加之表面积和孔隙度减少,缩短吸附平衡时间,两种化合物的慢吸附速率常数(kslow)均提高.负载腐殖酸后,两种化合物的快吸附速率常数(kfast)的变化却不同.腐殖酸负载向生物炭表面引入含氧极性官能团,阻碍萘分子向表面疏水吸附位点扩散,使得萘的kfast下降;而由于1-萘酚是极性有机物,除了疏水作用,其结构中的—OH能通过氢键与生物炭表面相互作用,其kfast反而升高.

去灰分对生物炭理化性质及芳香族污染物吸附的影响

本研究考察极性和非极性芳香族化合物1-萘酚和萘在以小麦秸秆为原料、不同炭化温度(300、400、500℃)下制得的原始生物炭以及去灰分处理后生物炭上的吸附,以探究生物炭的矿物组分对其吸附芳香族污染物的影响机制.结果表明,去灰分后,萘和1-萘酚在生物炭上的有机碳标化吸附分配系数Koc普遍增大(除了1-萘酚在300℃生物炭上的Koc值减小),吸附等温线的非线性程度增强,主要是由于去灰分改变生物炭的组成结构和表面性质.去灰分后,生物炭的整体极性略有提高,而表面极性明显降低,表明矿物组分影响生物炭中极性官能团的空间分布,有助于极性官能团在生物炭表面的向外暴露.与脂肪碳相比,原始和去灰分生物炭中的芳香碳组分对于萘和1-萘酚是更为有效的吸附位点,其与这些芳香族化合物间的疏水作用是主导吸附机制.去灰分潜在增加了生物炭的芳香碳含量,增强其芳香性;同时减少生物炭表面极性官能团的暴露,使得原来被屏蔽的疏水吸附域外露,促进与目标化合物的疏水作用,导致吸附强度(Koc)增大.除了疏水作用,1-萘酚结构中的极性官能团—OH能与矿物含氧表面或极性官能团形成氢键作用,对其在低温生物炭(300℃)上的吸附有重要贡献,去灰分后氢键作用减弱,导致吸附强度(Koc)下降.这说明生物炭中的无机矿物一方面可以通过特定作用机制有效结合芳香族有机污染物,该作用对总吸附的贡献与污染物性质、生物炭的制备温度和理化属性以及二者之间的主导作用机制有关;另一方面屏蔽有机组分上和孔内的有效吸附位点,抑制芳香族污染物在生物炭上的吸附,酸洗去灰分对生物炭吸附芳香族污染物的影响取决于这两个方面的平衡.