【摘要】：生物炭(biochar)是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的狀態(tài)下裂解產(chǎn)生的一類含碳量高的芳香化的固態(tài)物質(zhì),其芳香化結(jié)構(gòu)使其具有高的生物化學和熱穩(wěn)定性,施入土壤后難以發(fā)生化學變化和被微生物利用。此外,生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、表面含氧官能團豐富以及灰分含量較高且無機礦物組成豐富等特性,使得生物炭在固碳、土壤改良、環(huán)境污染修復、農(nóng)作物增產(chǎn)以及溫室氣體減排等方面具積極的意義和良好的應用前景。本研究以農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物花生殼和木材加工業(yè)副產(chǎn)物松木屑為原料,通過在不同熱解溫度下(200-500℃)制備生物炭,表征其物理化學性質(zhì),分析了不同生物質(zhì)原料及熱解溫度與生物炭物理化學特性的內(nèi)在聯(lián)系,探究了花生殼生物炭和松木生物炭中灰分對表觀的重金屬(以銅為代表)吸附動力學以及吸附容量的影響；小分子有機酸是土壤中常見的有機配位體,其存在會對生物炭修復環(huán)境重金屬污染產(chǎn)生影響,通過綜合考慮生物炭對小分子有機酸的吸附、銅與小分子有機酸的絡合以及在小分子有機酸中生物炭對銅的吸附,研究小分子有機酸對生物炭吸附銅的影響機制。這些研究結(jié)果為生物炭作為經(jīng)濟、環(huán)保和高效的新型材料在重金屬污染環(huán)境修復中提供理論依據(jù)。主要研究結(jié)果如下：(1)選擇農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物花生殼和木材加工業(yè)副產(chǎn)物松木屑為原料制備生物炭,研究生物質(zhì)來源和熱解溫度對生物炭物理化學特性的影響。研究結(jié)果表明：隨著熱解溫度的升高,花生殼和松木屑的熱解程度增加,生物炭的產(chǎn)率不斷降低；比表面積、pH和灰分含量增加；C含量增加,H、O和N含量減少；脂肪族、酚羥基、羧基等官能團逐漸減少,有的甚至消失；多環(huán)、雜環(huán)的芳香類化合物不斷形成,芳香性增加；生物炭中的難溶的、結(jié)晶度更高的礦物含量增多,水溶性陽離子(Ca2+、Mg2+)和水溶性陰離子(S042-和P043-)含量減少。(2)生物炭對銅吸附動力學研究表明：Cu2+在生物炭上的吸附動力學劃分為快吸附和慢吸附兩個一級動力學階段。其中快速吸附階段是生物炭表面含氧官能團如羧基(-COOH)、酚羥基(-OH)等與重金屬離子相互作用的吸附,慢速吸附階段是重金屬離子通過顆粒內(nèi)擴散作用被生物炭吸附,而含氧官能團種類以及擴散作用是影響吸附動力學中快吸附和慢吸附分布比例和速率的主要因素。隨熱解溫度的升高,生物炭表面含氧官能團減少,內(nèi)部孔隙增多,從而限制了生物炭對Cu2+的總體吸附速率,使得生物炭對Cu2+吸附達到90%吸附量的時間增加。(3)花生殼生物炭對Cu2+的吸附量高于松木生物炭。利用FM對花生殼和松木屑制備的生物炭吸附Cu2+的數(shù)據(jù)進行擬合,結(jié)果顯示非線性指數(shù)(n)在0.23～0.67之間,且隨熱解溫度的升高n值越來越小。此外,隨著熱解溫度的升高,花生殼生物炭和松木生物炭對Cu2+的吸附容量先下降,當熱解溫度為500℃時,花生殼生物炭對Cu2+的吸附容量趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變；而松木生物炭在熱解溫度為400。C時,其對Cu2+的吸附容量趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變。(4)去除灰分生物炭對銅吸附的等溫線結(jié)果表明：離子交換是一個重要的機制在生物炭吸附Cu2+的控制。沉淀作用對于大多數(shù)生物炭是不重要的,但對于500℃制備的花生殼生物炭沉淀作用的貢獻率高達20%。去除灰分后,松木生物炭對Cu2+的吸附量增加；但對于花生殼生物炭,觀察到灰分含量和吸附系數(shù)之間呈明顯的正相關(guān)。因此,灰分含量對生物炭吸附Cu2+的影響與生物炭的性質(zhì)有關(guān)：對于PO43-、SO42-等為灰分主要成分的生物炭,灰分含量將對溶液中Cu2+的去除起積極的作用。然而,對K+、Ca2+、Mg2+等為灰分主要成分的生物炭,灰分含量對Cu2+在生物炭上的吸附會起到負面作用。(5)生物炭對小分子有機酸吸附等溫線結(jié)果表明：本實驗用酸處理去除生物炭中的灰分以排除灰分對吸附系統(tǒng)的影響。利用LM模型對酸處理生物炭吸附小分子有機酸的數(shù)據(jù)進行擬合。去灰分后,花生殼生物炭對小分子有機酸的吸附容量大于松木生物炭,這是因為酸處理后,花生殼生物炭的比表面積較松木生物炭大。熱解溫度越高,生物炭的比表面積越大,進而使其對小分子有機酸吸附容量越大。此外,生物炭對草酸的吸附量(4444±631～6730±802 mg/kg)高于檸檬酸(1209±149-4603±352 mg/kg),這可能是因為草酸分子分子量和分子摩爾體積小,且分子為平面構(gòu)型,其空間位阻較小較易進入生物炭孔隙內(nèi)被吸附。(6)以草酸和檸檬酸為代表,研究小分子有機酸對生物炭(不同熱解溫度200 ℃、 300 ℃、 400 ℃、500 ℃)吸附Cu2+的影響。結(jié)果表明：①檸檬酸濃度在10 mg/L以下時,促進了生物炭對Cu2+的吸附,較高濃度時,抑制了吸附。檸檬酸在生物炭表面的吸附為Cu2+提供了更多的吸附位點,從而促進了Cu2+吸附；檸檬酸濃度增大以后,其在生物炭表面的吸附堵塞生物炭的內(nèi)部孔隙,從而抑制了Cu2+在生物炭上的吸附。②草酸在濃度0.5～50 mg/L范圍內(nèi),對生物炭吸附Cu2+始終為抑制作用。這可能與液相中的草酸與Cu2+的強絡合、固相吸附的草酸競爭Cu2+吸附位點(比如占據(jù)含氧官能團、生物炭內(nèi)部孔隙)有關(guān)。
【圖文】：

圖１．１論文框架示意圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅｓｉｓ邋ｆｒａｍｅｗｏｒｋ逡逑５逡逑

灰分含量（％）逡逑？松木生物炭邐？花生殼生物炭逡逑圖３．２生物炭ｐＨ與灰分含量之間的相關(guān)性逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋３．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ邋ｂｅｔｗｅｅｎ邋ｔｈｅ邋ｂｉｏｃｈａｒ邋ｐＨ邋ｖａｌｕｅｓ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ａｓｈ邋ｃｏｎ化ｎｔ逡逑生物質(zhì)原料及熱解溫度不同使制備所得的生物炭中元素（Ｃ、Ｈ、０、Ｓ和Ｎ）逡逑組成及含量存在差異。熱解溫度從２００邋°Ｃ升離到５００邋°Ｃ的過程中，，花生殼生物逡逑炭和松木生物炭中Ｃ含量分別從５３．１％和４９．６％上升到９％和８６．４％，且與熱逡逑解溫度呈顯著正相關(guān)（表３．５），說明生物質(zhì)炭化過程是一個＂碳濃縮＂的過程。逡逑花生殼生物炭和松木生
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X505;O647.3

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李力;劉婭;陸宇超;梁中耀;張鵬;孫紅文;;生物炭的環(huán)境效應及其應用的研究進展[J];環(huán)境化學;2011年08期

2 楊放;李心清;王兵;程建中;;生物炭在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)和污染治理中的應用[J];地球與環(huán)境;2012年01期

3 張千豐;王光華;;生物炭理化性質(zhì)及對土壤改良效果的研究進展[J];土壤與作物;2012年04期

4 陸海楠;胡學玉;劉紅偉;;不同裂解條件對生物炭穩(wěn)定性的影響[J];環(huán)境科學與技術(shù);2013年08期

5 張晗芝;黃云;劉鋼;許燕萍;劉金山;卑其誠;藺興武;朱建國;謝祖彬;;生物炭對玉米苗期生長、養(yǎng)分吸收及土壤化學性狀的影響[J];生態(tài)環(huán)境學報;2010年11期

6 李飛躍;梁媛;汪建飛;趙玲;;生物炭固碳減排作用的研究進展[J];核農(nóng)學報;2013年05期

7 孟軍;陳溫福;;中國生物炭研究及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[J];沈陽農(nóng)業(yè)大學學報(社會科學版);2013年01期

8 郭文娟;梁學峰;林大松;徐應明;王林;孫約兵;秦旭;;土壤重金屬鈍化修復劑生物炭對鎘的吸附特性研究[J];環(huán)境科學;2013年09期

9 關(guān)連珠;周景景;張昀;張廣才;張金海;禪忠祥;;不同來源生物炭對砷在土壤中吸附與解吸的影響[J];應用生態(tài)學報;2013年10期

10 王曉佩;薛英文;程曉如;劉蕓;;生物炭吸附去除重金屬研究綜述[J];中國農(nóng)村水利水電;2013年12期

相關(guān)會議論文 前10條

1 沈國清;;生物炭影響土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的生物學機制[A];第六屆全國環(huán)境化學大會暨環(huán)境科學儀器與分析儀器展覽會摘要集[C];2011年

2 楊丹;劉限;劉鳴達;張玉龍;;生物炭對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境改良作用的研究進展[A];發(fā)展低碳農(nóng)業(yè) 應對氣候變化——低碳農(nóng)業(yè)研討會論文集[C];2010年

3 黃蘋;潘波;焦杏春;;滇池底泥制備的生物炭對菲的吸附-解吸[A];持久性有機污染物論壇2011暨第六屆持久性有機污染物全國學術(shù)研討會論文集[C];2011年

4 戴中民;劉杏梅;吳建軍;汪海珍;徐建明;;用于改良酸性土壤的生物炭基本性質(zhì)的表征[A];面向未來的土壤科學（上冊）——中國土壤學會第十二次全國會員代表大會暨第九屆海峽兩岸土壤肥料學術(shù)交流研討會論文集[C];2012年

5 閆智培;李十中;;生物質(zhì)熱解生產(chǎn)生物炭研究進展[A];全國農(nóng)村清潔能源與低碳技術(shù)學術(shù)研討會論文集[C];2011年

6 陸海楠;胡學玉;陳威;;生物炭添加對土壤CO_2排放的影響[A];農(nóng)業(yè)環(huán)境與生態(tài)安全——第五屆全國農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學術(shù)研討會論文集[C];2013年

7 孟靜靜;劉靜宇;黃少鵬;;低碳經(jīng)濟下的生物炭研究[A];低碳陜西學術(shù)研討會論文集[C];2010年

8 王震宇;鄭浩;李鋒民;;濕地植物蘆竹生物炭的制備及特性表征研究[A];2010中國環(huán)境科學學會學術(shù)年會論文集(第四卷)[C];2010年

9 陳再明;陳寶梁;;不同裂解溫度制備的松木屑生物炭對萘的吸附動力學行為[A];第六屆全國環(huán)境化學大會暨環(huán)境科學儀器與分析儀器展覽會摘要集[C];2011年

10 李程;李小平;;生物炭對灘涂鹽堿土中黑麥草生長的影響初步研究[A];2014中國環(huán)境科學學會學術(shù)年會（第十二章）[C];2014年

相關(guān)重要報紙文章 前8條

1 本報記者 劉霞;生物炭能否給地球降降溫？[N];科技日報;2009年

2 記者 王靖tD;把生物炭還給農(nóng)田[N];沈陽日報;2012年

3 白云水;唐山農(nóng)民發(fā)明秸稈提取生物炭新技術(shù)[N];江蘇科技報;2009年

4 本報記者 張曄;生物炭能讓土壤更肥沃嗎？[N];科技日報;2013年

5 記者 耿建擴　通訊員 常云亮 王小勝;農(nóng)民王有權(quán)將秸稈變成“香餑餑”提取生物炭和焦油新技術(shù)獲國家專利[N];光明日報;2009年

6 記者 班瑋;二氧化碳變害為寶的新妙招[N];新華每日電訊;2010年

7 羅冰;生物炭漸火 農(nóng)林廢棄物就地一“燜”變成寶[N];糧油市場報;2011年

8 本報記者 郝曉明;為子孫留一片沃土藍天[N];科技日報;2012年

相關(guān)博士學位論文 前10條

1 鄂洋;生物炭表面有機小分子及其活性研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2015年

2 張杰;秸稈、木質(zhì)素及生物炭對土壤有機碳氮和微生物多樣性的影響[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2015年

3 孫大荃;生物炭碳源驅(qū)動土壤微生物區(qū)系代謝作用研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2015年

4 吳潔;不同秸稈還田方式與秸稈生物炭施用對農(nóng)田溫室氣體排放和土壤固碳的影響[D];南京農(nóng)業(yè)大學;2014年

5 謝淘;生物炭的特性分析及其在黃水資源化中的應用[D];清華大學;2015年

6 劉寧;生物炭的理化性質(zhì)及其在農(nóng)業(yè)中應用的基礎研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2014年

7 NGUYEN THI HUONG;生物質(zhì)炭對西北地區(qū)土壤質(zhì)量及作物產(chǎn)量的影響[D];西北農(nóng)林科技大學;2016年

8 江琳琳;生物炭對土壤微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)的影響[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2016年

9 程效義;生物炭還田對棕壤氮素利用及玉米生長的影響[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2016年

10 宗海英;花生殼生物炭對中國北方酸化土壤硝化過程的作用機制研究[D];中國海洋大學;2014年

相關(guān)碩士學位論文 前10條

1 李靖;不同源生物炭的理化性質(zhì)及其對雙酚A和磺胺甲VA唑的吸附[D];昆明理工大學;2013年

2 李昌見;生物炭對砂壤土理化性質(zhì)及番茄生長性狀的影響及其關(guān)鍵應用技術(shù)研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學;2015年

3 梁桓;影響生物炭基氮肥氮素釋放因素的研究[D];內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學;2015年

4 武玉;生物炭對土壤中磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化以及有效性的影響[D];中國科學院煙臺海岸帶研究所;2015年

5 李陽;生物炭輸入對納帕海青稞生長與土壤微生物生態(tài)學特征的影響[D];昆明理工大學;2015年

6 邱志騰;生物炭對紅壤的降酸效果與毛豆生長的影響[D];浙江大學;2015年

7 吳晶;生物炭精控制備方法的研究[D];沈陽農(nóng)業(yè)大學;2015年

8 蓋霞普;生物炭對土壤氮素固持轉(zhuǎn)化影響的模擬研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2015年

9 王麗麗;不同生物炭對鉛鋅礦尾礦重金屬污染土壤修復效果的研究[D];浙江大學;2015年

10 于志紅;錳氧化物—生物炭復合材料對砷的生物有效性的影響[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2015年

本文編號：2682090