以稻殼、竹子和杉木屑為原料,分別在不同熱解溫度下熱解制備生物炭（DBC、ZBC和MBC）。采用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線能譜（EDS）和X射線衍射（XRD）表征其理化性質(zhì),并通過批量吸附實驗研究生物炭對U（Ⅵ）的吸附特性與機理。結(jié)果表明:隨著熱解溫度升高,3種生物炭pH值和灰分增加,產(chǎn)率下降,且ZBC與DBC表面更加粗糙,孔狀形貌更加明顯,芳香結(jié)構(gòu)趨于完善,含氧官能團減少,無機元素占比增加,碳纖維結(jié)晶度降低;準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)模型能更好地擬合3種生物炭吸附U（Ⅵ）的過程（R₂²>0.96）,在25℃、pH值4、固液比為1∶1（g∶L）的條件下3 h可達到吸附平衡;3種生物炭的吸附等溫線擬合更符合Langmuir模型,以化學(xué)吸附為主,ZBC700對U（Ⅵ）的理論最大吸附量為18.55 mg/g;隨著熱解溫度的升高,ZBC和DBC吸附U（Ⅵ）的能力增強,陽離子-π和離子交換作用貢獻增加。MBC吸附U（Ⅵ）的能力與熱解溫度關(guān)系不明顯,相同熱解溫度,ZBC和DBC的吸附量高于MBC。 

【文章來源】：生物質(zhì)化學(xué)工程. 2020,54(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：10 頁

【部分圖文】：

不同熱解溫度生物炭SEM圖

不同熱解溫度生物炭XRD圖見圖4。由圖4可知,DBC與ZBC在2θ=22°附近都出現(xiàn)了一個寬而強的峰,該峰與生物炭纖維相對應(yīng),表明碳纖維基質(zhì)是一種無定形結(jié)構(gòu)[24],該現(xiàn)象可描述為生物質(zhì)低相對分子質(zhì)量化合物的有機成分的分解,導(dǎo)致生物炭的無定形性質(zhì)[25]。ZBC700在22°附近的結(jié)晶峰較ZBC300強度變?nèi)?且峰位置向更高角度移動,表明ZBC碳纖維中的晶體結(jié)構(gòu)隨熱解溫度升高而逐漸喪失,最終導(dǎo)致結(jié)晶度降低[26]。MBC500在22°附近并未出現(xiàn)結(jié)晶峰,表明MBC碳纖維中的晶體結(jié)構(gòu)完全缺失。DBC300的2θ為26.3°和31.08°的衍射峰分別對應(yīng)(203)和(601)結(jié)晶面,表明DBC300中存在結(jié)晶度良好的SiO2晶體;DBC700在2θ為29.118°和33.266°處存在弱衍射峰,分別對應(yīng)(200)和(111)晶面,表明存在硅酸鹽晶體,DBC存在硅酸鹽物質(zhì)與EDS分析一致。ZBC700在 42° 附近出現(xiàn)寬峰,該處對應(yīng)生物炭無序炭微晶的(100)晶面,然而ZBC300在該位置未出現(xiàn)特征峰,這是由于隨著熱解溫度升高,竹子內(nèi)部原子序逐漸得到分解而展開,進一步促進渦輪層晶結(jié)構(gòu)的形成與演化[26]。MBC500在2θ=26.281°出現(xiàn)強衍射峰,該處對應(yīng)(211)晶面,為氧化錳晶體。2.2 吸附動力學(xué)

吸附動力學(xué)描述了溶質(zhì)的吸收速率,它決定了所需的平衡時間和吸附過程的最佳接觸時間,是實驗設(shè)計和操作控制的重要方面[5]。吸附時間對不同熱解溫度生物炭吸附U(VI)的影響見圖5。由圖可知, MBC、ZBC和DBC在120 min基本達到吸附平衡,3種生物炭在120 min時對U(VI)的吸附量都可達到180 min時吸附量的95%以上,不同的吸附速率是因為吸附劑理化性質(zhì)存在差異[27]。所有的生物炭對U(VI)的吸附都呈現(xiàn)前期吸附速率迅速上升,后期吸附速率放緩直至吸附飽和的特征。這是由于在吸附的初始階段,配位作用和瞬時電子轉(zhuǎn)移致使生物炭表面的吸附位點逐漸飽和,表面吸附結(jié)束后,生物炭吸附U(VI)的速率主要取決于鈾離子從吸附劑外部進入內(nèi)部位點的內(nèi)擴散過程[28]。通過準(zhǔn)一級和準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)方程擬合得到的吸附動力學(xué)參數(shù)見表4。由于擬合參數(shù)R2值都大于0.9,故準(zhǔn)一級吸附動力學(xué)方程和準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)方程都能較好地擬合不同熱解溫度生物炭吸附U(VI)的過程,但整體上R22(0.961～0.999)>R12(0.917～0.993)。這說明準(zhǔn)二級動力學(xué)模型擬合度更高,所以生物炭吸附U(VI)是以化學(xué)反應(yīng)為主導(dǎo)的多步驟吸附過程,而不是簡單的物理吸附[29]。由表4可知,MBC的參數(shù)k2值隨熱解溫度的升高而降低,DBC的k2值隨熱解溫度的升高先降低后增加,而ZBC的k2值隨熱解溫度的升高而增大。這說明MBC吸附U(VI)的速率與熱解溫度呈負(fù)相關(guān),ZBC吸附U(VI)的速率與熱解溫度呈正相關(guān),中間熱解溫度的DBC吸附U(VI)的速率較低。這是因為ZBC含氧官能團相對豐富,隨著熱解溫度的升高,官能團未完全破壞,且孔隙結(jié)構(gòu)增加,活性位點增多,從而促進了ZBC對U(VI)的快速吸附[30];而MBC由于O元素較少,含氧官能團欠缺,熱解溫度的升高加速了官能團的破壞,因而降低了MBC吸附U(VI)的速率;DBC灰分含量高,官能團豐富,低溫?zé)峤饪沙浞直Ａ艄倌軋F,高溫?zé)峤饪沙浞轴尫披}基離子,均有利于吸附過程,但中間溫度熱解既破壞了含氧官能團,又無法充分發(fā)揮鹽基離子的離子交換作用,因而不利于吸附速率的提升。

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3288244