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摘 要

本研究以梧桐絮为原料，采用低温（400 ℃）热解法制备梧桐絮生物炭，并以该生物炭为吸附剂，探究其对水体中Pb² 的吸附性能。采用扫描电镜、傅里叶红外等现代仪器分析技术对梧桐絮生物炭进行充分表征；考察溶液pH、接触时间、溶液Pb² 初始浓度、吸附温度等因素对梧桐絮生物炭吸附Pb² 性能的影响；引入动力学（准一级和准二级）和等温线（Langmuir、Freundlich和Dubinin-Radushkevich）模型，对相关实验数据进行拟合，进一步阐述吸附过程。动力学结果显示，梧桐絮生物炭吸附Pb² 的过程符合准二级动力学模型，表明其吸附速率主要受化学吸附控制。等温线结果显示，梧桐絮生物炭吸附Pb² 的过程符合Langmuir模型，表明梧桐絮生物炭表面相对均匀，各吸附位点吸附能相近，属单分子层吸附。梧桐絮生物炭对Pb² 的最大吸附容量为82.47 mg/g，表明其是一种具有应用前景的吸附剂。

关键词：梧桐絮；生物炭；铅；吸附

Abstract：In this study, parasol wood flocculation was used as raw material. The biochar of parasol wood flocculation was prepared by pyrolysis at low temperature (400 ^oC), and the biochar was used as an adsorbent to explore the adsorption performance of Pb² in water. The biochar was deeply characterized by modern instrumental analysis techniques such as Scanning Electron Microscopy and FTIR spectra. We investigated the factors that affect the adsorption performance of Pb² on biochar of parasol wood flocculation. The kinetics (Pseudo-first order and pseudo-second order) and isotherm (Langmuir, Freundlich, and Dubinin-Radushkevich) models were introduced to fit the experimental data to further elucidate the adsorption process. The kinetic results showed that the adsorption of Pb² by biochar from parasol wood flocculation complied with the pseudo-second order kinetic model, indicating that the adsorption rate was mainly controlled by chemical adsorption. The results of the isotherm show that the adsorption of Pb² by biochar from parasol wood flocculation conforms to the Langmuir model, which shows that the biochar surface is relatively uniform and the adsorption energy of each adsorption site is similar, which is a monolayer adsorption. The maximum adsorption capacity of biochar for parasol wood flocculation to Pb² is 82.47 mg/g, indicating that it is a promising adsorbent.

Keywords：parasol wood flocculation; biochar; lead; adsorption

目录

1 绪论 4

1.1 重金属 4

1.2 水体重金属污染 4

1.3 生物炭概述 5

1.4本实验简介 6

2 梧桐絮生物炭对Pb² 的吸附 6

2.1 实验仪器 6

2.2 实验试剂 7

2.3 实验材料 7

3 结果与讨论 11

3.1 梧桐絮生物炭的性质 11

3.2 pH对吸附的影响 12

3.3 吸附动力学 13

3.4吸附等温线 14

3.5吸附热力学 15

结论 17

参考文献 18

致谢 20

1 绪论

1.1 重金属

通常将密度在4.5 g/cm³以上、比重在5以上的金属元素称之为重金属元素，其中在环境领域备受关注有镉、铬、汞、铅、砷、锡、镍等^[1]，这些重金属生物毒性显著，且在自然界的金属元素中占了很大的比例。重金属难以被降解、形态多变，低浓度致毒，对人体的危害具有终身有害且不可逆转的特点。重金属与人体中生物分子结合使其功能异常，失去活性，显示出毒性，进而影响人体健康。

1.2 水体重金属污染

随着工农业的快速发展，产生了很多“废物”，即各种污染物，这些污染物一经排入自然界，就会对自然界造成直接或者潜在的危害,而生活在自然环境中的动植物和人类就是最大的受害者。现在众多研究者致力于找出能够有效治理、控制和防治各种污染的方法。而在这其中水是生命之源，水体污染防治工作更是重中之重。

在水体中，重金属既可以以离子态存在，也可以以化合态存在，重金属不能被微生物降解，只能在各种形态间互相转换，由于其溶解度很小，所以一般在水体底泥中分散和富集。重金属在水生生物体内蓄积，再通过食物链等途径对人体产生危害^[2]。Cd，Cr，Co，Hg，Ge，Mn，Ni，Pb，Zn 等均是能够对水体产生污染的重金属，重金属超标的水体具有很大的毒性，不仅仅会毒害水体当中的水生生物，还会直接或者间接地威胁或者毒害人类的身体健康^[3]。在重金属的含量很微小的情况下，对人体不会产生毒害作用，也不会对水体产生污染，但当这些重金属的含量超过一定的浓度限值时，就会引起水体污染。有些重金属进入人体后毒性显现极快，使体内生理高分子物质失活，致使人中毒；有些重金属毒性会在人体内蓄积，在几年或几十年后爆发毒性，甚至毒性可以通过母体传递至胚胎，使胎儿致癌、致畸、致突变。

1.2.1 水体重金属污染公害事件

1931年，日本富山县的工业矿厂排放废水入神通川河流域，水体中积累了大量的镉。人们饮用这种含镉的水并用来灌溉水稻，长此以往，镉在人体内富集，导致中毒致病，由于患者骨骼畸形剧痛称为“痛痛病”^[4]。1956年，日本熊本县水俣镇一家氮肥公司，将未经任何处理的废水排入水俣湾，这些废水中含有大量的汞及其化合物，经过水体中某些生物的转化，形成了剧毒物质：甲基汞。经过生物链的传递积累，处在食物链最顶端的人类爆发了疾病，脑中枢神经系统和末梢神经受到损害，后称之为“水俣病”^[5]。在日本发生的这两个重大污染事件被列入世界八大公害事件，足以可见其危害影响之大。还有类似的各种水体污染事件在全球各地发生，严重破坏自然环境，危害人体健康。这些事件的发生给人类敲响警钟，促使科研者们展开研究，促使人们保护环境，维护我们赖以生存的水资源。

1.2.2 重金属污染的处理方法

至今，人们对于水体重金属污染的修复与治理已经有了一定的深入研究，处理重金属废水的方法大体上分为三种：化学法、物理化学法和生物法。其中，生物法处理重金属废水对于微生物的种类要求较高，目前还在继续研究^[6]。而对物理方法中的吸附法的研究已趋于成熟。

吸附法是指利用多孔性固体物质（吸附剂）对水中的重金属离子进行吸附、离子交换和络合作用，以去除水中的重金属离子，从而使水体得到修复的方法。吸附剂种类良多，活性炭、沸石、生物炭、石墨烯等是常见的吸附剂，它们具有较大的比表面积，且含有大量适宜且高度发达的孔隙结构^[7]。吸附法操作简单，而且它的吸附处理效率高，是一种较常采用的去除重金属离子的方法，本文中采用吸附法研究梧桐絮生物炭去除废水中的铅离子的效率。

1.3 生物炭概述

1.3.1生物炭

生物炭是将动植物废弃物等生物质在较低温度下，进行密闭（无氧或缺氧）热裂解而获得的稳定的一种炭材料，它的含碳量极高，具有较大的比表面积、丰富的含氧官能团以及矿物成分。从原料选取和环境影响的角度来说生物炭是活性炭很好的替代品。由于材料易得，制备简单，吸附性能良好而被广泛地应用于重金属污染的修复中^[13-14]。

1.3.2 生物炭制备

生物炭的物化性质决定了它的功能，而生物炭的原料及制备条件（如温度、时间，含氧量等）又决定其物化性质 ^[8-9]。生物炭的制备原料种类多样，包括秸秆、粪便、果壳等固体废弃物以及各种天然生物质、植物和藻类、固体垃圾等等，本文采用梧桐絮作为制备生物炭的原料。

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