论文总字数：8155字

摘 要

随着科学与工业的发展，生物炭已被广泛应用于化工、环保、食品、医药等领域。本文以秸秆沼渣为原料，以CaCl₂作为改性剂，采用预浸渍方法，经高温煅烧，制备了生物炭，并进行吸附实验，探究了改性对生物炭的结构及对Pb² 吸附性能的影响。实验表明，钙改性使生物炭对Pb² 的吸附能力增强，并且改性生物炭的结构较之原生物炭有大的变化。

关键词：生物炭；钙改性；吸附

Abstract: With the development of science and industry, biochar has been widely used in chemical, environmental protection, food, medicine and other fields. In this paper, straw biogas residue was used as raw material, CaCl₂ was used as modifier, preimpregnation method was adopted, and biochar was prepared by high-temperature calcination. Adsorption experiments were conducted. The effect of modification on the structure of biochar and its effect on Pb² adsorption performance was investigated. Experiments show that the calcium modification increases the adsorption capacity of biochar to Pb² , and the structure of modified biochar has a larger change than the original biochar.

Keywords: Biochar; Modification; Adsorption.

目 录

1 前言 4

1.1 生物炭的概念 4

1.2 生物炭的性质 4

1.2.1 吸附性 4

1.2.2 pH值 5

1.2.3 催化剂 5

1.2.4 其他应用 5

1.3 生物炭的用途 5

1.4 生物炭的制备方法 6

1.5 生物炭的改性 6

1.6 研究意义及目的 6

2 实验部分 8

2.1 原料与试剂 8

2.2 实验设计 8

2.2.1 未改性生物炭的制备 8

2.2.2 钙改性生物炭的制备 8

2.2.3 吸附实验 9

3 结果与讨论 10

3.1 产品表征分析 10

3.1.1 扫描电镜分析 10

3.1.2 比表面积分析 11

3.2 吸附能力分析 11

全文小结 13

参考文献 14

致谢 15

1 前言

随着工业的发展，各领域对活性炭的需求的增长，例如化工、环保、食品、医药等。以往生物炭的制备大多以木炭、木材等为原料，但由于全球环境危机与能源危机，化石原料和木材等的价格始终呈上升趋势。所以能够用来制备生物炭的原料受到了多方面的限制，因此生物炭的价格不断上涨。伴随着科学的不断进步，采用生物质资源制备生物炭逐渐成为主流，并且越来越被重视。我国作为一个农业大国，经济的发展离不开农业的推动，那么随之带来的就是农村生产生活中产生的生物质秸秆资源规模也在不断扩大。但是农村劳动力缺乏，广大农民为了抢农时、图省事等原因，越来越多的地区采用就地焚烧的方式处置生物质资源。这种处理方式不仅浪费生物质资源，而且会排放大量的大气污染物，严重的损害了人民的生命财产安全。根据《美国国家能源安全条例》^[1]所给出的定义，生物质(Biomass)是指任何可再生的或可循环的有机物质，包括专用的能源作物与能源林木，各种草、水生植物、动物废弃物和其它废弃材料。我国拥有丰富的植物生物质能源,例如农作物秸秆、蔗渣、芦苇和竹子等植物生物质，并且对生物质能源的规划与利用已经初见成效，比如采用厌氧干发酵技术，将秸秆转化为高附加值的沼气以及有机副产物^[2]，该技术产生的残留物沼渣也会被充分利用，可作为制备生物炭的原料。

1.1 生物炭的概念

生物炭是木质原料、农业废弃物、有机废弃物等生物质在密闭环境中，于相对较低的温度条件下(lt;700℃)经过限氧或者无氧热解生成的一类固态产物，其富含碳素、物化性质稳定、且具有不同程度芳香化。一般情况下，生物炭具有化学及生物稳定性分子结构及高度发达的孔隙结构的特点，含有能显示出疏水、亲水、酸性等多种性质的多种表面官能团。

1.2 生物炭的性质

生物炭具有丰富多样的物理化学性质，如比表面积大、碳素含量高、孔隙结构也异常发达等，常被用作除去水中的污染物的吸附剂，它的组分主要包括碳元素，H、O、N、S等元素以及其他的微量元素。生物炭具有较低的可溶性，其结构芳香化、羧酸酯化程度则非常高。

1.2.1 吸附性

生物炭是一种很细小的炭粒，稳定性较好，有很大的表面积，具有发达的孔径和巨大比表面积。并且其表面含有多种含氧官能团，如羧基、羟基、羰基、内脂基等。这些丰富的官能团提供了更多的吸附位点^[3]，使之对重金属的吸附更强，且对酸碱的缓冲能力也起到着主要作用。

1.2.2 pH值

生物炭大多呈现碱性。当制备流程中热裂解的温度越高时，生物炭的pH值会越高。生物炭本身含有矿质元素形成的碳酸盐会随着裂解温度的增高而增加，研究表明生物炭中碱性物质的主要是以碳酸盐的形式存在。

1.2.3 催化剂

生物质炭可作为催化剂。常用于以下几个方面：1、可用于焦油的催化转化。焦油是化石燃料以及生物质材料等在高温裂解时生成的一种深色粘稠状液体，通常包括多环芳烃、烷烃、酚类等多种物质。焦油在生物炭的催化作用下，可转化生成为H₂和CO。2、生物炭可以作为一种选择性低温催化还原剂，作用是去除空气中的NO_x，用于空气污染控制。其中化学方法活化的生物炭即活性炭对去除NO_x效果更好。3、用于催化制取生物柴油。生物柴油主要由游离脂肪酸和甘油三脂等动植物油脂与甲醇或乙醇等通过酯交换反应获得^[4]。具体的反应如下图：

1.2.4 其他应用

除此之外，生物炭还具有较强的抗氧化能力、良好的抗生物降解能力以及持水性等性质，均被广泛应用于生产生活中。

1.3 生物炭的用途

表1 生物炭用途表

行业	应用
石化行业	生物炭固定化菌剂
	水净化及污水处理
化工行业	高热值燃料
	气体净化
	制备活性炭
农业	改善土壤质量
环保行业	污水处理
	重金属污染治理净化

1.4 生物炭的制备方法

目前实验室制备生物炭最为常用的方法是热裂解法。根据热解温度的不同可将生物炭的制备方法分为慢速热解法、快速热解法、水热炭化法(HTC)、内蒸炭化法、烘焙法以及气化法^[5]。热解温度影响生物炭制备过程中表面官能团的产生，从而影响生物炭吸附的能力。

1.5 生物炭的改性

生物炭性质特殊、含炭丰富、具有微观结构，在未来的环境、农业等领域的应用具有很大的潜力。但是，制备生物炭的原料来源差异性很大，表面基团的种类非常有限，但现实环境中不同污染物之间的差异性较大，如阴离子和阳离子，有机和无机等之间化学性质差异大，因此生物炭在实际的修复利用中局限性较大，需要对生物炭进行某些性质的改变，以提高其吸附、钝化能力来满足环境修复方面的需要。改性方法主要包括化学性质和物理结构特征的改性。物理改性主要是对表面物理结构的改变，如调整生物炭的孔隙结构、增加生物炭材料的比表面积等。而常用的改性方法是化学改性。常用的化学改性手段包括：(I)金属氧化物浸提改性，Chen将桔皮与Fe² /Fe³ 溶液混合制备了磁性生物炭，研究对P进行吸附效果。(2)酸/碱改性，方法是利用酸、碱等物质处理生物炭，改变其表面官能团，并根据实际需要调整官能团数量。目前常用的酸碱改性剂有HCl、HNO₃、HClO、KOH、NaOH、氨水等，如Jin等用KOH对污泥生物炭进行改性，用以研究对废水中As(V)的吸附效果，结果表明改性后吸附量是改性前生物炭的1.3倍。(3)氧化/还原改性，利用氧化剂/还原剂在适当的条件对生物炭材料氧化/还原改性，能使其表面几何形状变得均一，提高其表面含氧酸性/碱性官能团的含量，而这些官能团在生物炭吸附重金属离子时具有非常重要的作用，从而提高能使改性后得生物炭对废水中有害阴离子的吸附能力。

1.6 研究意义及目的

随着化工、工业制造等行业的快速发展，重金属污染已成为环境污染。铬污染严重威胁了人们的生命健康安全，类似于铬这种重金属，若长期接触，可对人身各部分的器官造成严重的损伤，比如会引起皮肤炎症、溃烂、损伤内脏造成部分机能丧失出现视力降低等症状，严重的还可能致癌，甚至造成死亡。因此重金属污染己成为了急需解决的的环境问题。

在重金属废水处理的方法中，吸附法因其原理简洁明了、操作方法简单而被选用的次数较多。但现有的吸附剂也存在的相当大的问题：原材料的选择以及选择成本、对于环境是否造成再度污染等。因此，研究出低成本高效率且对于环境不会造成再度污染的吸附剂变成了一项迫切解决的课题。从媒体以及各种资料上可以了解到在我国农村，例如秸秆这类农林废物废料被大量的弃置焚烧，也因此造成了非常严重的环境问题，同时也是一种资源浪费。秸秆这一农作物废料来源广而且量也大、几乎零成本的特点，因此将秸秆经过改性合成的新型吸附剂具有良多、廉价易得等优点，因此该类型的吸附剂将会是废水处理、环境净化吸附剂的发展趋势。本课题以秸秆生物质为原材料，制备未改性生物炭和钙改性生物炭，通过两者对比实验，采用等体积-预浸渍的方法，探究改性对生物炭结构及对重金属离子Pb² 吸附行为的影响。为开发高效、廉价的生物炭材料提供实验依据。

2 实验部分

2.1 原料与试剂

玉米秸秆等废弃物作为一种可再生的清洁型能源一直是农村居民生活主要的燃料之一。秸秆沼渣基中有机质含量平均为15%，平均含碳44.22%、钾1.44%、氮0.62%、磷0.25%，还含有镁，钙等其他金属元素^[6]。

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