摘 要

花生我国产量最大的油料作物，但每年榨油后产生的花生壳数量很大，而且处理方法不恰当，利用率低下，造成了严重的资源浪费和固废污染。考虑到当前水体重金属污染问题，以生物质材料制作吸附剂是一个可以解决多种问题的合理研究。

本文以花生壳为原料，研究了在不同热解温度下，不同保温时间的热解碳及改性水热碳对重金属离子（Pb² ）的吸附量，并且考察了吸附时间对离子吸附的影响。主要研究结论如下：

(1)设计正交试验，研究不同温度，不同保温时间下热解碳吸附量的差异。结果表明，在实验设计温度内（500-700 ℃），热解碳产率不断下降，在700、2 h条件下，热解碳的吸附量最高，可达26.1 mg/g。而实验也显示，在1-2 h内，吸附时间对吸附量影响很小。

（2）选取吸附效果最好的热解碳，作为水热改性生物碳的原料。制备改性碳之前，先用盐酸对热解碳进行酸洗，然后与三聚氰胺以1:1比列，在水热反应釜中反应。结果表明，300 ℃，停留时间2 h条件下得到吸附量最大的生物碳，吸附量为68.43 mg/g，相比热解碳，其吸附性能得到了明显改善。

关键词：热解 吸附 花生壳 重金属离子

Study on the adsorption of heavy metal ions by biomass hydrothermal carbon

Abstract

Peanut is the largest oil crop in China, but the amount of peanut shells produced after oil extraction is large every year. Considering the heavy metal pollution in water, it is a reasonable research to make adsorbent from biomass material.

In this paper, the adsorption efficiency of pyrolytic carbon and modified hydrothermal carbon at different pyrolysis temperature and residence time on heavy metal ions (Pb² ) was studied with peanut shell as raw material, and the effect of adsorption time on ion adsorption was also investigated. The main conclusions are as follows:

(1) Orthogonal experiment was designed to study the influence of different temperature and residence time on the adsorption capacity of pyrolytic carbon. The results showed that, within the experimental design temperature (500-700℃), the yield of pyrolytic carbon decreased continuously, and the adsorption capacity of pyrolytic carbon was the highest at 700 ℃and 2h, up to 26.1mg /g. The experiment also showed that the adsorption time had no effect on the adsorption amount within 1-2h.

(2) Choose the pyrolytic carbon with the best adsorption effect as the raw material of hydrothermal modified biological carbon. Before the preparation of modified carbon, the pyrolytic carbon was pickling with hydrochloric acid, and then reacted with melamine in a 1:1 ratio in a hydrothermal reactor. The results showed that the biochar with the largest adsorption capacity (68.43 mg/g) was obtained under the condition of 300℃and the residence time was 2 h, and its adsorption performance was significantly improved compared with that of pyrolytic carbon.

Key Words: Pyrolytic carbon; Adsorption; Peanut shells; Heavy metal ion

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 重金属污染概述 1

1.1.1 重金属水体污染来源 1

1.1.2 重金属水体污染危害 1

1.1.3 重金属水体污染处理方法 1

1.2 生物质利用技术 2

1.2.1 生物质能简介 2

1.2.2 农业废弃生物质 3

1.3 研究背景及意义 4

1.4 本文主要研究内容 4

第二章 实验部分 5

2.1 实验仪器及试剂 5

2.2 实验方法 6

2.3 分析方法 7

第三章 热解碳的制备及基本物化性质分析 9

3.1 概述 9

3.2 结果与讨论 9

3.2.1 工业分析和元素分析 9

3.2.2 热解碳热重分析 10

3.2.3 热解碳吸附及分析 11

3.3 正交实验及分析 12

3.4 本章小结 13

第四章 水热炭吸附及分析 15

4.1 概述 15

4.2 结果与讨论 15

4.2.1 元素分析 15

4.2.2 比表面积及孔径分析 16

4.2.3 搅拌速率对吸附的影响 17

4.2.4 水热温度对吸附的影响 17

4.2.5 溶液PH对吸附影响 19

4.2.6 投加量对吸附的影响 20

4.2.7 离子强度对吸附的影响 21

4.3 本章小结 22

第五章 结论与期望 23

5.1 结论 23

5.2 工作期望 23

参考文献 25

致谢 28

第一章 引言

1.1 重金属污染概述

工业上的重金属共有十种，主要为铅，镉，铬等，其共性为相对密度大于5和一般金属通性其它性质各有不用。重金属来源广泛，排放途径多（工业废水、含铅汽油、矿物废渣等），难以降解，对生态环境造成了极其恶劣的影响，而且对人类及动植物的健康也存在很大威胁。重金属污染范围相当广，目前已成为环境保护领域的重点问题，各种修复技术也层出不穷^[1]。

1.1.1 重金属水体污染来源

水体中的重金属离子主要来自以下两方面。工业生产中，大量使用石油、煤炭等燃料，重金属元素可与其燃烧后的废渣混合在一起进入环境中，最后通过沉降作用进入水体；此外，还有大量未经处理或处理后仍不达标的电镀废水被随意排入河流湖泊中^[2]。农业中，不当使用含铅、镉等离子的化肥，农药质量低下，大量使用污水灌溉都是导致重金属水体污染的原因。

1.1.2 重金属水体污染危害

重金属水体污染对水生动植物及人体健康均有不利影响，重金属离子对水生植物的影响首先从细微结构开始，植物的运动器、细胞壁、叶绿体等均受到不同程度的破坏^[3]，依据植物种类不同，最终结果可能会有光合作用下降，呼吸作用被抑制，生物酶活性降低等，均可导致植物生长受限或枯死。重金属离子浓度过高可以导致水生动物发育畸形或中毒死亡，还会导致胚胎发育不健全，还可能影响部分生物的DNA合成。尽管人体本身也需要一定量的重金属离子，但超过一定限度的重金属离子则会可对人体神经系统，免疫系统造成破坏，还可能导致慢性中毒，器官衰竭^[4]等。

1.1.3 重金属水体污染处理方法

（1）物理方法：一般指蒸发法，该方法工艺简单且易于回收重金属，但蒸发加热时耗能较高且不能有效去除杂质；换水法仅适合处理总量较小的含重金属废水，需要将废水转移，以干净水体替换；稀释法则是将少量重金属废水直接与大量干净水混合，降低重金属离子浓度，但该方法并不能根治重金属水污染，又因水生生物具有富集作用，目前基本已被弃用^[5]。

（2）化学方法：常规方法为沉淀法，常用的沉淀方法有中和法、絮凝法、钡盐沉淀等^[6]，但缺点是分离出的重金属沉淀物不易处理，可能会造成二次污染。电镀废水一般采用电解法，但处理水量小，耗能高，且只能处理高浓度废水。

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