壳聚糖/磁性生物炭复合物的制备及其对环丙沙星的吸附性能

本文以芦苇生物质和FeCl_(3)·6H_(2)O为原料,采用浸渍-热解法,控制浸渍比率、热解温度和热解时间制备磁性生物炭(Biochar, MB),再与壳聚糖(Chitosan, CTS)复合,制备了壳聚糖/磁性生物炭复合物(Magnetic biochar, CMB)。利用田口分析方法,以环丙沙星(Ciprofloxacin, CIP)为目标物,以吸附容量为评价指标,优化了CMB的制备条件。使用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射分析(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、振动样品磁强计(VSM)和全自动比表面及孔隙度分析仪(BET)对其结构进行了表征。研究了CMB对CIP的吸附动力学和吸附热力学。结果表明,CMB的最佳制备条件为浸渍比率1∶3、热解温度800℃、热解时间4 h,以柠檬酸为交联剂、MB与CTS的质量比5∶1。CMB对CIP的吸附更符合Avrami模型和拟二级动力学模型,吸附过程可能是膜扩散和颗粒内扩散共同作用的结果。Freundlich吸附等温方程能较好地描述CMB对CIP的吸附行为。热力学参数表明,CMB对CIP的吸附是一个自发的吸热反应。

生物炭-壳聚糖复合材料对镉污染土壤的修复效果研究

[目的]探讨生物炭-壳聚糖复合材料(CBC)对镉(Cd)污染土壤的修复效果。[方法]以黑麦草为供试植物进行盆栽试验,探究向酸性低镉土壤、中性高镉土壤和碱性高镉土壤中分别添加0、0.5%、1.0%和3.0%(W/W)的CBC时,土壤pH、全镉含量、有效态镉含量、黑麦草根和茎叶的生物量以及其中的全镉含量变化情况。[结果]施用CBC可以提高酸性和中性土壤的pH。随着CBC施用量的增加,土壤中有效态镉含量降低,当施加量至3.0%时达到显著水平。CBC可以钝化土壤中的镉活性,其钝化效果与土壤污染程度、酸碱性密切相关。随着CBC施加量的增加,黑麦草根和茎叶中镉含量降低,尤其植物地上部分降低效果明显,也证明了CBC对土壤中镉具有钝化作用;黑麦草的富集系数(BCF)和转运系数(TF)随CBC施用量的增加而减小,表明施用CBC能够减弱土壤中的镉向植株体内的迁移,从而达到缓解镉毒害的作用。[结论]CBC可以用于镉污染土壤的修复,尤其是在污染程度严重的酸性土壤中效果更加显著。

双组分阳离子染料在壳聚糖生物炭上的竞争吸附机理研究

研究了壳聚糖生物炭(CB)对水溶液中阳离子染料龙胆紫(GV)和孔雀石绿(MG)的吸附机理。通过吸附等温线对一元体系和二元体系中阳离子染料GV和MG在生物炭上吸附行为进行分析。一元体系中,吸附平衡实验研究发现,Langmuir模型可对CB吸附GV和MG的吸附行为进行描述,表明其为单层吸附。而二元体系中,extended-Langmuir模型和Langmuir-Freundlich模型可对CB吸附GV和MG的吸附行为进行描述,表明GV和MG之间存在相互作用,也就是说吸附位点上染料分子的吸附取决于其他吸附位点上染料分子的存在情况,发生了多层吸附现象。二元体系中,染料浓度较低时发生“协同作用”,浓度较高时发生“拮抗作用”。

壳聚糖改性生物炭对海南酸性红壤的改良试验研究

针对海南酸性红壤结构退化、地力贫瘠以及利用大量农业废弃物制备生物炭用于改良土壤的问题,通过盆栽试验筛选了适宜海南酸性红壤的改良剂。为了提高生物炭的性能,采用壳聚糖(Chitosan, C)对稻壳(Rice husk biochar, BR)、玉米芯(Corncob biochar, BC)、甘蔗渣(Sugarcane biochar, BS)、香蕉假茎(Banana pseudostem biochar, BB)4种生物炭进行改性,并分析不同生物炭和壳聚糖改性生物炭对土壤理化性质的改良效果。扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等表征结果显示:壳聚糖改性后引入了新官能团,但壳聚糖颗粒造成了生物炭孔隙结构堵塞,致使材料比表面积减少;添加改性生物炭可使土壤pH值提升0.61~2.28,铵态氮质量浓度提升10%~43%,有效磷质量浓度提升8%~34%,速效钾质量浓度提升17%~77%,阳离子交换量(Cation Exchange Capacity, CEC)提升26%~89%,有机质质量比提升26%~107%,蔗糖酶(Sucrase, SUC)酶活性提升5%~34%,脲酶(Urease, URE)酶活性提升7%~58%。其中BB-C对土壤pH值、铵态氮质量浓度和脲酶酶活性提升效果显著,BB对土壤有效磷质量浓度、CEC和有机质质量比改良效果显著,BR对土壤速效钾质量浓度改良效果显著,BS-C对土壤蔗糖酶酶活性改良效果显著。对于土壤有效磷质量浓度、速效钾质量浓度、CEC和有机质质量比,生物炭改良效果更好;对于土壤pH值、铵态氮质量浓度、蔗糖酶酶活性、脲酶酶活性,壳聚糖改性生物炭改良效果更好。

聚乙烯亚胺功能化的生物炭气凝胶对铀的吸附性能研究

研究了以莲蓬粉末、壳聚糖与聚乙烯亚胺为原料,合成一种聚乙烯亚胺功能化的莲蓬生物炭气凝胶(LSBC-CTS/PEI)并用于吸附废水中的U(Ⅵ)。结果表明:LSBC-CTS/PEI呈现松散的交联网状结构,且含有非常丰富的胺基官能团,可为U(Ⅵ)的配合提供更多吸附位点;LSBC-CTS/PEI对U(Ⅵ)的选择性吸附受pH影响较大,吸附主要以单层化学吸附为主,属于自发的吸热过程,更适合用准二级动力学和Langmuir等温吸附模型描述;LSBC-CTS/PEI对铀的选择性达84.91%,最大吸附量为533.89 mg/g。该吸附材料对铀的吸附量较高、选择性较好,且固液分离方便,具有一定推广应用价值。

固体废弃物材料的改性及对重金属修复实验

为合理利用废弃物资源,降低土壤重金属潜在的风险,以玉米秸秆固体废弃物为原料,制备一种玉米秸秆生物炭材料,并利用壳聚糖对其进行改性,研究改性玉米秸秆生物炭材料性能及其对土壤重金属的修复效果。实验结果表明,(1)改性生物炭材料的p H值为8.39,电导率为28.26μS·cm^(-1),比表面积为2.23m^(2)·g^(-1),孔径为8.75nm;(2)改性生物炭材料可以增大土壤碱度和电导率,修复后土壤p H值为7.83,土壤电导率为2.25mS·cm^(-1);(3)改性生物炭材料对土壤重金属修复效果较好,可减少土壤中水溶态和碳酸盐结合态重金属铅、镉的含量,使土壤中重金属铅、镉更多的以残余态存在。可见,这种壳聚糖改性玉米秸秆生物炭材料对土壤中重金属铅、镉有着良好吸附和钝化效果,修复效果较好。

壳聚糖改性生物炭在铅镉复合污染土壤修复中的应用研究

为了实现铅镉复合污染土壤的修复,本文采用高温热解方法制备了稻壳生物炭(BR)以及玉米芯生物炭(BM),并采用壳聚糖对生物炭进行改性,研究了不同生物炭对铅镉复合污染土壤的修复效果。结果表明:壳聚糖改性生物炭的比表面积更大,对pH值及土壤电导率的提升效果均远高于未改性生物炭。在修复过程中,土壤中铅、镉的5种形态含量均呈现出残余态>碳酸盐结合态>铁锰结合态>有机结合态>水溶态的趋势,各类生物炭都表现出了对土壤中重金属铅镉的钝化作用,且壳聚糖改性生物炭的钝化效果更优。

壳聚糖/磁性核桃壳生物炭的制备及其对高浓度Pb(Ⅱ)的吸附

以核桃壳粉作为生物质原料,依次采用H_(2)O_(2)和FeCl_(3)为改性剂,在限氧条件下制备磁性核桃壳生物炭,然后以壳聚糖为改性剂、聚乙二醇为交联剂,制备了壳聚糖/磁性核桃壳生物炭复合材料(CS/MWSB),采用SEM、FT-IR、N_(2)脱附、XRD、XPS、VSM技术对其形貌和理化性质进行表征,并通过静态试验考察了CS/MWSB对模拟废水中Pb(Ⅱ)的吸附性能。结果表明:CS/MWSB的表面有大量微孔结构,表面负载球状Fe_(3)O_(4)颗粒和壳聚糖,CS/MWSB的活性基团和芳香基团有所增加;壳聚糖负载量为30%的CS/MWSB对Pb(Ⅱ)的吸附能力最强;对于初始浓度为400 mg/L的Pb(Ⅱ)溶液,当吸附剂投加量为4 g/L时,在pH为5.0、温度为40℃吸附3 h时,CS/MWSB对Pb(Ⅱ)的吸附率达90.86%,吸附容量为89.86 mg/g;CS/MWSB对Pb(Ⅱ)的吸附符合准二级动力学方程,吸附过程以化学吸附为主。CS/MWSB可用于对于高浓度Pb(Ⅱ)废水的处理。

改性生物质吸附剂对水中磷酸盐的去除和回收研究进展

综述了壳聚糖、木质素、生物炭、黏土、单宁和淀粉等改性生物质吸附剂在去除和回收磷酸盐方面的最新研究进展,分析了对生物质材料进行改性以增加其表面官能团、提高比表面积和零点电荷的多种途径;讨论了改性生物质吸附剂对磷酸盐的吸附机制、影响吸附量的各种因素以及磷酸盐的回收方法。与未改性的吸附剂相比,改性后的生物质吸附剂对磷酸盐的吸附能力显著提高;未来应重点研究如何进一步提高生物质材料对磷酸盐的吸附量、吸附剂的可重复利用性以及水环境适用性。

生物炭/壳聚糖复合材料对磷的吸附研究

因磷所造成的水体富营养化已成为全球环境问题,水体富营养化防治关键是降低水体中磷的含量。吸附法对环境友好,不会造成二次污染,具有吸附速率快的特点。通过使用秸秆来源的生物炭作为原材料,制备生物炭/壳聚糖复合型吸附剂去除水中磷酸盐。结果表明:在磷初始浓度为25 mg/L,投加量为0.1 g、pH为5条件下,生物炭与壳聚糖质量比为4时有较大的平衡吸附容量。吸附动力学实验结果表明磷吸附过程符合准一级动力学模型;吸附热力学分析表明:吸附过程为自发反应,升高温度有利于吸附并且反应向着熵增方向进行;红外光谱、扫描电镜以及XRD表征来看,磷被吸附机理是Al^(3+)与磷相互作用产生了共沉淀现象。

壳聚糖、铁锰改性稻壳生物炭的表征及其Cd^(2+)吸附性能研究

为改善稻壳炭对Cd^(2+)的吸附能力,分别选用壳聚糖、硝酸铁与高锰酸钾对稻壳生物炭进行改性,成功制备了壳聚糖改性稻壳炭(C-BC)和铁锰改性稻壳炭(FM-BC),表征了各稻壳炭的基础理化性质,包括比表面积分析(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射表征(XRD),进行了动力学吸附实验和等温吸附实验,并在不同pH和投加量条件下,研究了改性生物炭对Cd^(2+)的吸附量和去除率。结果表明:两种改性方式均减小了稻壳炭的比表面积和总孔隙体积;FM-BC含有Mn-O、Fe-O的特征官能团,此外改性前后稻壳炭的官能团类型基本不变;两种改性方式均使稻壳炭产生了对应的晶体结构变化。两种改性炭对Cd^(2+)动力学吸附特征均符合准二级动力学模型,颗粒内扩散模型均分为3个阶段,对Cd^(2+)等温吸附特征均符合Langmuir模型;C-BC和FM-BC的最大吸附量分别为25.51 mg·g^(-1)和16.25 mg·g^(-1),是BC(14.97 mg·g^(-1))的1.7倍和1.08倍。随着溶液pH增加,C-BC和FMBC的吸附量和去除率逐渐增加,且始终高于BC;随着投加量的增加,C-BC和FM-BC的Cd^(2+)去除率逐渐增加,而吸附量逐渐降低。两种改性方式均能够在一定程度上提高稻壳炭对Cd^(2+)的吸附能力,均以单分子层化学吸附占主导,C-BC的最大吸附量明显高于FM-BC,适度调整溶液pH和投加量可改善改性稻壳炭的Cd^(2+)吸附效果。

壳聚糖-稀土-生物炭对水体Cr(Ⅵ)的吸附性能分析

以玉米秸秆为生物炭原料,通过壳聚糖和稀土对其改性,分别制备了壳聚糖-氯化镧-生物炭复合材料(CBC-La)和壳聚糖-氯化铈-生物炭复合材料(CBC-Ce)。采用XRF、FT-IR和XRD对CBC-La和CBC-Ce的结构与性能进行分析,探究了不同吸附条件下对水体Cr(Ⅵ)的吸附性能。结果表明,Langmuir方程能够很好地模拟等温吸附行为,准一级动力学方程的拟合度较高,CBC-La和CBC-Ce的平衡吸附量理论值分别为21.08、19.16 mg/g,表现出良好的吸附效果。解吸实验结果表明,CBC-La和CBC-Ce具有重复使用的可能性;吸附机制主要包括静电作用、氢键作用和离子交换。实验证明,壳聚糖-稀土-生物炭复合材料对去除水体Cr(Ⅵ)具有良好的应用前景。

生物炭-壳聚糖磁性复合吸附剂的制备及去除地下水中铅和铜

壳聚糖作为天然多糖有机物,具有对环境友好的特性,其含有的大量含氮官能团可吸附水中的金属离子。但壳聚糖类吸附剂在酸性条件下适应性差,实际使用过程中需要调节pH值,因此增加了运行成本。本文选用农林废弃物花生壳(CC)和玉米芯(PS)制备生物炭,与壳聚糖进行结合,并引入磁性因子Fe3O4,制备了花生壳生物炭-壳聚糖磁性复合吸附剂(PSC)和玉米芯生物炭-壳聚糖磁性复合吸附剂(CCC),并研究这两种吸附剂对水中Pb^(2+)和Cu^(2+)的吸附性能,同时利用实际含多种金属离子的地下水对所制备的材料进行实验,以评估其实际应用潜能。比表面积仪(BET)分析表征显示,CCC相比PSC的比表面积和平均孔径更大,两种吸附剂在pH 4~7范围内均表现出稳定的吸附性能。循环5个周期后,两种吸附剂仍对Pb^(2+)和Cu^(2+)的去除率保持在85%以上,表现出良好的循环利用性能。CCC对Pb^(2+)和Cu^(2+)的最大吸附容量分别为169.10mg/g和18.69mg/g,均大于PSC的最大吸附容量。同时,CCC可有效去除含重金属地下水中的多种金属离子。在处理实际含Pb^(2+)和Cu^(2+)的废水时可优先选择CCC材料作为吸附剂。吸附动力学实验结果表明,两种材料对Pb^(2+)的吸附以物理吸附为主,对Cu^(2+)的吸附以化学吸附为主。pH值影响实验和X射线光电子能谱(XPS)表征结果说明两种材料主要通过静电吸引和含氮官能团与金属离子的螯合作用去除Pb^(2+)和Cu^(2+)。本文使用农林废弃物制备生物炭降低了成本,引入的磁性因子方便了脱附过程,生物炭-壳聚糖磁性复合材料的制备方法有效地改善了壳聚糖类材料在酸性条件下的适应性,所制备的材料是一种去除地下水中Pb^(2+)和Cu^(2+)污染的有效潜在吸附剂。

壳聚糖改性生物炭的特性及其研究进展

生物炭的低吸附容量和易饱和是影响其进一步应用的主要缺陷,因此,本研究通过提出一种以多孔生物炭为生物质载体,壳聚糖负载在其表面的新型高性能复合材料。该材料有效结合了生物炭疏松多孔结构和壳聚糖丰富表面官能团的优点,极大地提高了其吸附性能,其在土壤改良、水质净化等农业环境领域具有潜在的应用价值,体现“以废治废”的理念。通过介绍壳聚糖改性生物炭的制备、特性和吸附机理,并对其在土壤和水环境污染的修复、农作物生长的影响等方面的应用进行综述和总结,为壳聚糖改性生物炭进一步在环境修复中的应用提供理论支持。

聚壳糖改性甘蔗基生物炭对铅锌污染土壤稳定化的研究

以甘蔗为原料制备生物炭,以NaOH、NaCl、稀HNO3为活化剂进行活化,对聚壳糖进行改性制得土壤稳定化材料聚壳糖改性甘蔗基生物炭,探究聚壳糖改性甘蔗基生物炭制备过程中不同活化剂、不同聚壳糖负载量对污染土壤中铅、锌的稳定化效果。结果表明,活化生物炭效果最优的活化剂为稀HNO3;聚壳糖改性剂最优添加量在0.5%~0.75%之间,且少量聚壳糖即可显著提升生物炭对污染土壤中铅、锌的稳定化效果;炭材料的最佳添加剂量为稳定性实验土壤质量的8%。

诺氟沙星在壳聚糖-生物炭复合材料上的解吸行为研究

吸附材料再生可以实现吸附材料的循环使用,降低处理成本。本文研究了壳聚糖-生物炭复合材料上诺氟沙星(NOR)解吸的影响因素,考察了NOR解吸动力学过程,并通过多次再生实验探讨了其重复使用潜力。结果表明,以NaOH为解吸剂时有利于促进壳聚糖-生物炭复合材料上NOR的解吸,随NaOH浓度的提高,NOR的解吸率增大。溶液离子强度提高了NOR的解吸率,离子强度为0.1mol/L时NOR的解吸效果最好。热力学参数ΔG和ΔS表明该解吸过程是自发进行的吸热反应。NOR在壳聚糖-生物炭复合材料上的解吸主要受慢解吸和极慢解吸控制。双常数方程和Elovich方程可较好描述复合材料上NOR的解吸动力学行为。壳聚糖-生物炭复合材料重复使用6次后,NOR的解吸率为66.88%,吸附量为8.675mg/g,表明壳聚糖-生物炭复合材料具有较好的可循环利用潜能。

壳聚糖/磁性甘蔗渣生物炭复合材料对Cr(Ⅵ)的吸附特性

研究了壳聚糖/磁性甘蔗渣生物炭复合材料的制备及从模拟废水中吸附Cr(Ⅵ),采用SEM、FTIR、BET法对普通甘蔗渣和复合材料的结构进行表征。结果表明:壳聚糖/磁性甘蔗渣生物炭复合材料为团状结构,表面有大量微孔,并有许多孔隙穿插其中,化学结构较普通甘蔗渣有较大改变;在废水Cr(Ⅵ)初始质量浓度50mg/L、废水pH=2、反应温度25℃、复合材料投加量8g/L、吸附时间12h条件下,Cr(Ⅵ)吸附去除率为98.7%,最大吸附量为8.7796mg/g;Langmuir等温吸附模型能反映吸附过程,吸附以单层吸附为主可用准二级动力学方程描述,吸附分快速吸附与慢速吸附2个阶段。

壳聚糖-生物炭复合材料对U(Ⅵ)的吸附性能试验研究

以壳聚糖(CTS)和生物炭(AC)为原料,采用原位沉淀法制备了壳聚糖-生物炭(CTS-AC)复合材料,研究了吸附时间、铀初始浓度、初始pH值、温度和干扰离子等因素对CTS-AC吸附U(Ⅵ)的影响,探讨了CTS-AC对U(Ⅵ)的吸附动力学、等温线,采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM-EDS)及比表面积分析(BET)等手段进行了相关机理分析。实验结果表明,CTS-AC吸附U(Ⅵ)的最佳条件为:pH=4、CTS-AC投加量0.8~1 g/L、吸附时间240 min,在此条件下,最大吸附率可达94.85%。CTS-AC对U(Ⅵ)的吸附等温线模型符合Langmuir模型,U(Ⅵ)的吸附动力学符合准二级模型;高浓度Cu^2+对CTS-AC吸附U(Ⅵ)的抑制作用明显;FT-IR、XRD和EDS结果表明,CTS的负载未改变AC的原结构,仅增大了其孔径、增加了结合位点。CTS-AC对U(Ⅵ)的吸附机制为配位作用以及离子交换。

壳聚糖-生物炭微球对甲基红的吸附及微球菌剂的吸附增益效应

以典型偶氮染料甲基红为吸附对象,将壳聚糖和生物炭混合制成微球制剂,对该制剂吸附甲基红的潜力、机制及添加微生物后微球菌剂的吸附增益效应进行研究.结果表明,所制得的壳聚糖-生物炭微球具有良好的吸附特性,在染料初始质量浓度为500 mg/L、p H 3.0和20℃条件下,微球对甲基红的最大吸附量为460 mg/g.Freundlich等温方程和准二级动力学方程模型与该吸附过程拟合良好.利用Elovich方程与颗粒内扩散方程对微球的吸附过程进行研究,结果证实该吸附过程为自发过程,内部扩散为该过程的限速步骤.通过热力学方程计算得到吸附过程的热力学参数ΔG0、ΔH0和ΔS0分别为-24.35 k J/mol(30℃)、-21.36 k J/mol和8.45 J/(mol K).表明此吸附过程为放热过程,较高温度可降低微球吸附的自发性并抑制微球对甲基红的吸附作用.利用神经网络对影响吸附过程的4个因素(p H值,温度,初始浓度,吸附时间)进行建模分析,发现温度对吸附过程的影响最大,相对重要性为32.76%,时间次之(为25.56%),其余依次为p H(23.36%)和初始浓度(18.32%).包埋微生物的微球菌剂与无微生物的纯壳聚糖-生物炭微球相比,脱色率提高了29%;与微生物单独脱色相比,脱色率提高了76%,表明生物吸附材料与微生物混合制备成菌剂的吸附增益效果明显.

壳聚糖/生物炭复合材料对Cr离子的吸附性能

通过浸渍法制备不同负载量的壳聚糖/杏壳生物炭(C-ABC)和壳聚糖/椰壳生物炭(C-CBC)复合材料。利用SEM和XPS对复合材料进行了表征分析,研究复合材料对电镀废水中Cr等的吸附性能。结果表明,壳聚糖/生物炭形成了具有疏松多孔结构、大量表面官能团和表面电荷的复合材料。C-ABC和C-CBC对Cr(Ⅵ)的吸附量分别达到了1.621 mg/g和1.615 mg/g,去除率达到了97.3%和96.9%,壳聚糖/生物炭具有较好的回收性能。Langmuir等温模型和准二级动力学模型能更好地描述吸附过程。热力学研究表明,壳聚糖/生物炭对Cr吸附是自发、吸热和不可逆的过程。通过实际废水实验,表明壳聚糖/生物炭可用于电镀废水重金属污染物的潜在生物质吸附剂。