热解温度对黄杨木屑生物炭特性及重金属环境风险的影响

以黄杨木屑为原料分别在300、400、500、600、700和800℃缺氧条件下热解制备生物炭。考察热解温度对生物炭理化性质和重金属(Cu、As、Ni、Cr和Pb)迁移转化的影响。结果表明,生物炭产率随热解温度升高显著降低,而灰分含量和pH值逐步升高。热解温度为800℃时,生物炭的比表面积最高为325.353 0 m^(2)/g,同时微孔体积达到2.095 6 cm^(3)/g。制备的生物炭中大部分重金属(Cu、As、Cr和Pb)含量较原料中增加了20.35%~202.37%。同时,随着热解温度的升高,生物炭中重金属由不稳定形态转变为稳定形态,其中Cu、Ni、Cr和Pb的残渣态占比随热解温度的升高明显提升,高温热解显著降低了生物炭中重金属的潜在生态风险。

氧含量和Fe(Ⅲ)对生物炭降解对硝基苯酚的影响机制

生物炭因其丰富的比表面积和独特的理化性质在污染物治理方面具有广泛的应用潜力,但其降解污染物过程受环境因素影响的机制尚不清楚.本文以松木木屑为原料制备松木生物炭(BC500),探讨了氧气和Fe(Ⅲ)离子对BC500降解有毒有机农药对硝基苯酚(PNP)的影响.结果表明,在酸性有氧条件下,BC500对PNP的降解量是无氧条件的1.35倍,这表明除了自身直接降解作用外,生物炭还能通过氧气介导生成活性氧自由基间接降解PNP.此外,通过XPS、AAS和FTIR等表征显示,在有氧条件下,不同浓度的Fe(Ⅲ)离子(2.8—280 mg·L^(-1))对BC500降解PNP均起抑制作用.这是由于Fe(Ⅲ)离子在环境pH较低时具有较强的氧化能力,通过竞争BC500传递给氧气的电子导致超氧阴离子(·O_(2)^(-))生成途径被屏蔽.而在无氧条件下加入Fe(Ⅲ)则促进了PNP降解,从0.68 mg·g^(-1) BC增加到1.79 mg·g^(-1) BC,因为Fe(Ⅲ)能增强BC500对PNP的吸附,并进一步促进其直接降解作用.结果表明,BC500施用于酸性含铁废水中时,无氧环境更利于PNP的降解,而有氧环境下Fe(Ⅲ)会抑制PNP的降解.本研究为生物炭应用于酸性含铁废水环境中的有机污染物治理提供了理论依据.

生物炭对铅离子的吸附性能

以废弃松木屑为原料,采用控制热分解法制备了生物炭。运用BET和FTIR等技术对生物炭进行了表征,考察了生物炭对铅离子的吸附效果,并探讨了吸附机理。表征结果显示,700℃氨气处理的生物炭,其比表面积和总孔体积显著增大。实验结果表明：生物炭对铅离子的吸附效果优于普通活性炭,且以700℃氨气处理的生物炭为最佳;随溶液pH的升高生物炭对铅离子的去除率增大,当pH为4-6时去除效果较好;在溶液pH为6、初始铅离子质量浓度为50 mg/L、吸附剂加入量为1 g/L、吸附时间为6 h的条件下,700℃氨气处理的生物炭对铅离子的去除率达99%以上;700℃氨气处理的生物炭的Langmuir吸附常数和Freundlich吸附常数远大于普通活性炭和其他工艺的生物炭;铅离子在生物炭上的吸附过程符合拟二级动力学方程。

污泥-锯末共热解生物炭的制备及土壤应用

利用外热式反应釜,以城市污泥和白杨木锯末混合物为原料共热解制备生物炭。研究了共热解工艺条件对生物炭产率和吸附性能的影响,对最佳工艺条件下所制备生物炭的比表面积、孔结构、表面形貌进行了表征,并且分析了生物炭的营养物质、p H、重金属质量分数。结果表明,最佳共热解工艺条件:锯末掺混比为20%,热解温度为400℃,催化剂质量分数为6%,反应时间为30 min。最佳生物炭表面存在较多的孔隙结构,中大孔较多,比表面积为6.411 m2/g,碘吸附值为311.63 mg/g,亚甲基蓝吸附值为95.42 mg/g。最佳生物炭中速效氮、速效磷和有机质质量分数分别为115.5 mg/kg、287 mg/kg和535.63 g/kg,呈碱性,p H为9.88,重金属质量分数除Zn外均远低于农用土壤二级标准,可作为土壤改良剂或肥料使用。

改性生物炭对镉离子吸附性能研究

以废弃松木屑为原料采用热分解法制备生物炭,并以氨气、硝酸、硫化钠和溴水4种化学试剂分别对其进行表面改性。采用BET、FTIR和Bohem滴定等技术对改性前后的生物炭进行表征,研究溶液pH值、初始溶液Cd2+浓度、吸附时间等因素对Cd2+吸附特性的影响,并探讨改性生物炭的吸附机理。结果表明,改性生物炭具有较大的比表面积、发达的孔结构和多种表面官能团;在一定范围内,随溶液pH值的增大、Cd2+浓度的升高、吸附时间的延长,改性生物炭对Cd2+的去除率逐渐提高,其中氨气改性生物炭对Cd2+的吸附效果最优,在溶液pH值为6、初始溶液Cd2+浓度为50mg/L、生物炭加入量为2g/L、吸附时间为6h时,氨气改性生物炭对Cd2+的吸附容量可达12.3mg/g;拟二级动力学方程和等温吸附模型均能较好地描述改性生物炭对Cd2+的吸附过程,其中氨气改性生物炭的Langmuir与Freundlich吸附常数最大。

麦秸与木屑热解制备磁性生物炭基材料理化性质研究

分别以小麦秸秆和杨树木屑为原料,经浸渍-化学沉淀-高温热解制备磁性生物炭基复合材料,考察负载铁处理在不同原料类型、热解温度下对材料理化特性的影响。结果表明:复合材料中铁主要以Fe3O4的形式存在,材料外层含量较内层高。负载铁处理加速了生物质热解脱氢和脱氧进程,对生物炭理化特性的影响效应随温度升高而加剧。在300~600℃的热解温度下,负载铁处理小麦秸秆和木屑热解炭的灰分质量分数均增加,增加范围分别为28.8~34.4个百分点,39.1~47.6个百分点,而固定碳含量、热值均降低;比表面积、总孔容均增大,增大范围分别为:10.67~72.24 m2/g、0.039 8~0.093 1 cm3/g,15.43~105.14 m2/g、0.010 4~0.078 9 cm3/g,而平均孔径减小。负载铁处理对两种生物质挥发分含量和pH值的影响不同,表现为:负载铁秸秆生物炭的挥发分质量分数增加5.2~13.2个百分点,pH值降低0.04~1.49,而负载铁木屑生物炭的挥发分质量分数在300℃降低17.4个百分点,在400~600℃增加8.5~22.2个百分点,pH值则升高0.33~1.93。

CO2/N2气氛下成型松木屑热解制备成型生物质炭的实验研究

在水平固定管式炉上进行了不同浓度CO2/N2气氛下成型松木屑制备成型生物质炭的实验,考察CO2在成型松木屑热解过程中参与反应的转化率以及CO2对气液固三相产物产量和生物质炭特性的影响。通过对成型生物质炭的成型密度、孔隙结构、官能团、高位热值和元素含量的分析,确定了CO2对成型松木屑热解过程的影响机制、最佳气化CO2浓度以及最佳热解温度。结果表明：CO2的引入不仅促进羟基、甲基、亚甲基等脱落和芳环结构的开裂,进而促进了成型生物质热解,而且还促进了焦油的裂解和挥发分的析出,提升了H2、CH4、CO的产量,同时也降低了成型炭的密度和增大成型炭的BET比表面积。最佳CO2浓度以及最佳热解温度分别为10%和600℃,此时引入CO2参与反应的转化率达到最大值74.9%。

改性生物炭对Ni^(2+)和Cu^(2+)的吸附

以废弃松木屑为原料制备了生物炭,采用六亚甲基四胺(HMTA)和/或CO2对其进行改性,并将其用于水中Ni2+和Cu2+的吸附。表征结果显示,以HMTA和CO2共同改性的生物炭BC1的表面积最小但表面含氧官能团含量最高。实验结果表明:生物炭经改性后,其吸附性能明显提高,且以BC1为最优;在不调节溶液p H、初始重金属离子质量浓度为50 mg/L、吸附剂加入量分别为2.0 g/L和1.0 g/L、吸附时间分别为360 min和240 min的优化条件下,BC1对Ni2+和Cu2+的去除率分别达到99.81%和95.88%;改性生物炭对Ni2+和Cu2+的吸附过程可以用Langmuir等温吸附模型来描述,而其吸附动力学具有拟二级动力学方程特征。

木屑生物质炭对水中阿特拉津、多菌灵和啶虫脒复合农药的吸附性能研究

选取木屑为原材料,在500、700℃下制备生物质炭(标记为MX500和MX700),试验考察了溶液初始pH和生物质炭投加量对其吸附性能的影响,并利用吸附动力学、吸附等温线以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等手段,研究了木屑生物质炭对水溶液中3种不同类型的典型常用农药阿特拉津(ATR)、多菌灵(CAR)和啶虫脒(ACE)的吸附特性及吸附机理。结果表明:热解温度700℃,pH 3.0,生物质炭投加量为2.0 g/L时,木屑生物质炭对3种农药的联合吸附效果最好。MX700对ATR、CAR和ACE的最大吸附量分别为40.2、50.4和44.9μg/g,约为MX500的1.4倍~2.2倍。吸附动力学和吸附等温线结果显示,准二级动力学方程、颗粒内扩散方程和Langmuir方程能较好地拟合吸附过程。FTIR结果显示,木屑生物质炭主要通过酚羟基和羧基等含氧官能团以及芳香环结构去除水中ATR、CAR和ACE。木屑生物质炭对农药的吸附机理包括静电作用力、氢键作用力及π–π键相互作用力。在100μg/L浓度下,木屑生物质炭对ATR、CAR和ACE复合农药的吸附效果和机理与农药单体类似。综上,木屑生物质炭作为复合农药污染水体净化的吸附剂具有较大的应用潜力。

复合成型生物炭制备工艺研究

以家具厂废弃锯木屑与竹屑的混合物为原料,研究了复合成型生物炭的制备工艺条件。结果表明,复合成型最佳炭化条件为:锯木屑∶竹屑比例为75%∶25%,最终炭化温度500℃,升温速率15℃/min,氮气为氛围气,保温时间60 min。在最优条件下制备的复合成型生物炭固定碳含量84.57%,炭得率31.27%,灰分2.78%,挥发分11.95%,热值29 991 J/g。这为农林废弃物的综合利用提供理论依据。

组配/改性材料对镉砷复合污染土壤的钝化修复

为探究不同类型钝化材料对镉(Cd)砷(As)复合污染土壤的修复效果,以黑麦草为供试植物,研究石灰+硫酸亚铁组配(LF)、改性生物炭(MB)和改性桉树屑(MC)对Cd、As的钝化效果及对黑麦草积累Cd、As的影响。结果表明:在土壤pH为8.19,Cd、As含量为6.87、67.59 mg·kg^(-1)的重度污染土壤中,施加质量分数为0.5%、1%、2%的LF和0.25%、0.5%、1%的MB或MC不会引起土壤pH大幅度波动;不同施加量下LF、MB和MC对Cd的钝化效率分别达21.4%~32.9%、25.2%~29.4%和18.4%~24.9%,对As的钝化效率分别达3.5%~24.5%、3.7%~22.1%和11.8%~18.2%;3种材料可通过静电吸引、络合、沉淀等作用促使两种元素向低活性态转化;LF、MB和MC不同施加量均对黑麦草的生物量没有显著影响,但分别降低了黑麦草地上部6.5%~25.4%、43.9%~48.8%和40.5%~48.3%的Cd含量,33.1%~43.7%、33.6%~38.9%、14.9%~44.4%的As含量;3种材料均可有效阻控黑麦草对Cd、As的吸收与转运。研究表明,实际应用中施加2%的LF或1%的MB、MC均可达到较佳的Cd、As修复效果。

木屑生物炭的制备及其对Pb^2+的吸附特性研究

以松木(SM)和楠木(NM)木屑为原料,分别在300、450、600℃下制备了6种木屑生物炭,通过扫描电镜、孔径与比表面积分析仪、傅里叶红外光谱仪和热重分析仪对生物炭的理化性质进行了表征,并探讨了金属离子(Na+、K+、Ca 2+)和pH值对生物炭吸附Pb 2+的影响,同时研究了其吸附动力学。研究结果表明:在相同制备条件下,随着热解温度升高,生物炭的比表面积和孔容积增大,其最可几孔径呈下降趋势,楠木生物炭的比表面积(23.2~311.4 m 2/g)均大于松木生物炭(17.6~210.6 m 2/g);FT-IR分析表明,热解温度的升高使生物炭芳香化程度增强,有助于生物炭与Pb 2+形成稳定的结构。楠木生物炭对Pb 2+吸附量(46.92~77.12 mg/g)高于松木生物炭(34.90~62.79 mg/g);溶液中的Na+和K+不利于生物炭对Pb 2+的吸附,Ca 2+有利于Pb 2+的去除。生物炭对Pb 2+的吸附均符合准二级动力学方程,颗粒内扩散模型分析表明吸附受多种因素共同影响。

锯末水热生物炭特征研究

以锯末（sawdust，SD）生物质为原料，采用水热炭化法在温度170、200、230℃，时间15、30min下制备水热生物炭，分析水热生物炭的产率、能量产率、热值、元素组成、表面官能团、表观形貌、平衡含水率等变化等特征。工业分析、元素分析表明，温度是影响水热炭化的重要因素。锯末水热生物炭随温度的升高、时间的延长，C含量增大，O含量降低；生物炭产率、能量产率降低，热值增加。当温度为230℃，时间为30min时，得到生物炭产率为68．78％，能量产率为78．27％，热值为21．57MJ／kg。范式图、红外光谱分析显示，在低温短时炭化时，转化过程以脱水、脱羰基为主。扫描电镜显示水热炭化能破坏生物质微观结构，水热生物炭表面光滑，锯末在170、200℃炭化后有缝隙结构，230℃表面出现孔洞结构。平衡含水率结果表明，水热炭化能提高锯末生物炭的疏水性质，有利于生物炭燃料的保存利用。

改性木屑生物炭对阿莫西林的吸附条件分析

利用高温裂解方法制备磷酸(H_(3)PO_(4))改性生物炭(PSBC_(550)),采用响应面法优化改性生物炭(PSBC_(550))对水中阿莫西林(AMX)的吸附条件,通过Box-Behnken Design探究AMX初始浓度、吸附时间、吸附温度等因素对AMX去除效率的影响。试验结果表明三个因素对PSBC_(550)去除AMX的影响大小依次为:AMX初始浓度>温度>吸附时间;PSBC_(550)吸附水中AMX的最佳工艺条件为:AMX初始浓度100 mg/L、温度45℃和吸附时间111.6 min,PSBC_(550)对AMX的吸附去除率高达99.8%。该吸附过程更符合准二级动力学模型,吸附过程主要为物理表面吸附与化学吸附。结论将对实际抗生素废水处理的工艺技术提供一定的理论参考价值。

Rapid Method for Greywater Treatment and Their Potential Reuse in Agriculture

Greywater, a type of wastewater, may be hazardous to human health and ecosystems. Greywater is a large fraction of wastewater that needs adequate attention for remediation and reuse in the agricultural sector so that a part of the water problem can be sorted out. This study aims to develop a rapid method for greywater treatment and reuse in agriculture. A microfilter consisting of sand, clay, organo-clay, charcoal, and biochar was designed and tested for greywater treatments. Biological Oxygen Demand (BOD), Chemical Oxygen Demand (COD), Total Kjeldahl Nitrogen (TKN), Total Dissolved Salts (TDS), Electric Conductivity (EC), turbidity and pH values were measured before and after using the microfilter. Results showed tremendous removal efficiency of BOD, COD, TKN, by using the developed microfilter. The microfilter was also effective in treating and placing pH, EC and TDS in the acceptable range for suitable agricultural use. Using the treated greywater for irrigation in corn, tomato seedlings showed increased growth compared with the control group (plants irrigated with tap water). This microfilter treatment was economical, safe, easy to handle and easily applicable. These encouraging results suggest the application of this method in many countries for solving the water scarcity problem.

钴氮共掺杂生物炭活化过硫酸盐降解环丙沙星

以松木屑为生物质,采用浸渍法和高温煅烧法制备了钴氮共掺杂生物炭(Co/N-BC)。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和全自动比表面与孔隙度分析仪对材料的形貌、组成、结构等进行了分析。以Co/N-BC为催化剂活化过一硫酸盐(PMS)用于水中环丙沙星(CIP)的降解。结果表明,制备的Co/N-BC在活化PMS降解CIP方面表现出优异的性能,60 min内对CIP的去除率高达98.3%,循环使用5次后去除率仍为33.6%。自由基淬灭实验分析表明,硫酸根自由基(SO_(4)^(–))对CIP的降解起主要作用,Co/N-BC材料在活化过硫酸盐治理污染废水领域具有广阔的应用前景。

铁酸镍负载杉木屑生物炭活化过一硫酸盐降解磷酸氯喹

近年来,磷酸氯喹(Chloroquine phosphate,CQP)作为治疗新冠的特效药得到广泛应用,并且由于其具有优异的抗炎症和抗疟疾能力,在疫情结束后仍发挥着重要作用。磷酸氯喹的大量使用对环境造成严重的潜在危害。将废弃的木屑资源化利用,通过共沉淀-无氧煅烧法制备出具有磁回收能力的铁酸镍负载杉木屑生物炭复合材料(Nickel ferrate loaded biochar,NiFe_(2)O_(4)@BC),并研究其活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)降解CQP的性能。利用多种表征对NiFe_(2)O_(4)@BC复合材料的组成结构、表面官能团和石墨化程度进行分析,相较于未改性的杉木屑生物炭(Fir sawdust biochar,BC),将具有磁性NiFe_(2)O_(4)的负载在生物炭上,使复合材料的石墨化程度提高,缺陷活性位点也得到增多,对CQP的去除效果得到巨大提高。主要考察了NiFe_(2)O_(4)@BC投加量、PMS浓度、溶液初始pH、共存无机阴离子与腐殖酸在降解CQP过程中的影响。研究表明:当Ni Fe_(2)O_(4)@BC投加量为0.5 g/L,PMS浓度为1.0 mmol/L,CQP浓度为10 mg/L的条件下,CQP去除率在120 min达到89%。在偏酸性或者偏碱的条件下更有利于CQP的降解,腐殖酸(Humic acid,HA)对NiFe_(2)O_(4)@BC活化PMS降解CQP具有促进作用。淬灭实验证实,自由基途径和非自由基途径生成的·OH与^(1)O_(2)主导了NiFe_(2)O_(4)@BC/PMS体系对CQP的降解。在同等条件下,对多种污染物均能达到80%以上的降解效果。此外,NiFe_(2)O_(4)@BC循环使用5次后,活化PMS去除CQP的效率仍能达到74%左右。本文为废弃杉木屑高效、绿色的资源化利用提供了新策略和借鉴意义。

两种木材生物炭对铜离子的吸附特性及其机制

为探索高效利用废弃生物质资源制备生物炭去除水体和土壤中Cu^(2+)污染的可行性,本文以常见的农林废弃物苹果树枝和梧桐木锯末为原料,采用450℃限氧热裂解法制备生物炭,通过两种生物炭对Cu^(2+)的批量吸附试验,利用4种等温吸附模型(Langmuir、Freundlich模型、Temkim、D-R模型)和4种吸附动力学模型(准一级动力学、准二级动力学、Elovich模型、颗粒内扩散模型)研究了苹果枝和锯末生物炭对Cu^(2+)的吸附行为.同时,使用FTIR红外、SEM和BET比表面积及孔径分析等技术表征了生物炭的理化性质,研究了两种生物炭对Cu^(2+)吸附机制,分析了两种生物炭之间的吸附特性差异及其影响因素.结果表明:(1)苹果枝生物炭在3 h达到吸附平衡,理论最大吸附量为15.85 mg·g^(-1),锯末生物炭在6h达到吸附平衡,理论最大吸附量为17.44 mg·g^(-1),与其他研究相比,这两种生物炭体现了较高的Cu^(2+)吸附性能;(2)两种生物炭对Cu^(2+)的热力学吸附均较好地符合Langmuir模型,表明吸附过程主要是近似单分子层的有益吸附;动力学吸附均符合准二级吸附动力学模型,表明其对Cu^(2+)的吸附包括表面吸附、颗粒内扩散和液膜扩散等多种过程;(3)吸附机制主要包括静电吸附,配体(酚羟基)/离子(H+)交换和阳离子—π键作用.