生物炭对农业面源污染物中农药分子的吸附性能研究

生物炭广泛应用于生态修复、农业和环保领域,研究出能吸附农业面源污染物中农药(主要为乙草胺和阿特拉津除草剂)的材料,对环境保护和农业生产中的土壤修复具有重要意义。从生物炭的植物原材料、结构性质等方面进行研究,选择出具有更大吸附能的生物炭种类。采用密度泛函理论,分析生物炭分子结构和乙草胺与阿特拉津分子结构的特点及吸附能,从理论模拟角度研究微孔结构对农药分子的吸附作用和影响。结果表明:植物生物炭的主要成分和孔径大小均对乙草胺和阿特拉津分子吸附能力有一定影响,其中紫丁香基结构木质素对乙草胺和阿特拉津分子的吸附能力最强。总体上,吸附能力表现为木质素﹥纤维素﹥半纤维素,1倍孔径﹥2倍孔径﹥4倍孔径。     

我国西北黄土对阿特拉津的吸附行为及影响因素

为了探讨ATZ(阿特拉津)在黄土中的吸附/解吸行为及主要影响因素,以我国西北黄土为供试土样,采用批量试验法研究了黄土对ATZ的吸附动力学和热力学行为特征. 结果表明:黄土对ATZ的吸附动力学过程更符合准二级动力学模型,吸附热力学过程更符合线性分配的Henry吸附模型(R2>0.90),吸附过程中ΔGθ(吉布斯自由能)及ΔHθ(焓变)均小于0、ΔSθ(熵变)大于0,25～45 ℃温度范围内E(吸附平均自由能)为0.86～1.30 kJ/mol,表明黄土对ATZ的吸附过程以物理吸附为主,属于自发放热过程且导致吸附体系混乱度增加. 黄土对ATZ的吸附影响因素分析结果显示,随着系统温度的升高,ATZ在黄土中的饱和吸附量下降;pH在2～10范围内变化时,ATZ在黄土中的饱和吸附量随pH的增加呈明显降低趋势;初始ρ(ATZ)从2.5 mg/L增至10.0 mg/L时,黄土对ATZ的饱和吸附量也相应地从0.082 5 mg/g增至0.621 0 mg/g. 结果显示,ATZ在黄土中的吸附速率受内部扩散、表面吸附和液膜扩散的共同影响,并且吸附过程主要受到土壤有机质疏水性分配作用的影响.      

蟹壳基生物炭催化臭氧降解阿特拉津的研究

在不同热解温度下制备了一系列蟹壳基生物炭(CSB),并应用于催化臭氧降解阿特拉津(ATZ)的研究中。该文采用BET、TG、SEM、XRD和FT-IR表征手段对生物炭的理化性质和形貌进行分析,在500℃下制备的CSB500的比表面积和孔体积达到最大,对应其表面活性官能团含量最高。同时,系统评价了催化剂投加量、初始pH、天然有机物和阴离子对CSB500/O₃体系降解ATZ的影响。结果表明,在500℃下制备的CSB500在催化臭氧降解ATZ表现出优异的催化活性,在15 min内对ATZ的降解率达到99%以上,伪一级反应速率k为0.362 min^-1,并且CSB500在多次循环实验中对ATZ的降解具有良好的稳定性。猝灭剂实验初步揭示了CSB500/O₃体系降解ATZ过程中存在·OH、O₂?^-和¹O₂等多种活性氧物种。最后,研究对反应机理提出了合理推测。     

稻壳生物炭吸附无机汞和甲基汞的特征研究

为了探究稻壳生物炭吸附溶液无机汞(Hg²⁺)和甲基汞(MeHg⁺)的特征,研究了不同稻壳生物炭用量和溶液pH对汞吸附的影响,及其吸附动力学和热力学特征。结果表明：当溶液中无机汞浓度为50 mg/L且pH为7.0时,施用50 mg生物炭后,生物炭对无机汞的吸附在18 h后达到平衡且最大吸附量为23.52 mg/g;当溶液中甲基汞浓度为30 ng/L且pH为4.0时,施用20 mg生物炭后,生物炭对甲基汞的吸附量在3 h后达到吸附平衡且最大吸附量为58.54 ng/g。生物炭对无机汞和甲基汞的吸附研究过程均符合准一级、准二级模型,其中准二级模型的拟合效果更好,说明该吸附作用过程更倾向于化学吸附。Freundlich和Langmuir等温吸附模型都能很好的拟合稻壳生物炭对无机汞的等温吸附,而稻壳生物炭对甲基汞的吸附符合Langmuir等温吸附模型。稻壳生物炭对总汞和甲基汞的吸附机制主要为离子交换、静电吸附、沉淀以及络合作用。研究结果可为稻壳生物炭修复汞污染环境提供理论依据。     

裂解温度调控溶解性生物炭光敏化产生活性氧自由基

溶解性生物炭受紫外光辐射产生的活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)易对环境造成影响,受到环境领域的持续关注.以玉米秸秆为原料,在不同裂解温度(200～600℃)下制备了5种生物炭,并通过水提得到溶解性生物炭(Dissolved biochar,DBC),系统考察了生物炭裂解温度对DBC结构和组分的影响,并利用化学分子探针定量研究了DBC在紫外光辐射下产生常见ROS的能力,如羟基自由基(Hydroxyl radical,?OH)、单线态氧(Singlet oxygen,¹O₂)和超氧自由基(Superoxide radical,O₂?^-).结果表明,DBC主要由有机酸、类蛋白质和纳米级生物炭构成,前两者皆会随生物炭裂解温度上升而减少,后者则会逐渐增多.高温DBC-(400～600℃)具有更强芳香性和疏水性,但荧光物质含量极低.对DBC产生的ROS进行定量研究发现,仅DBC-200℃和300℃产生少量?OH.DBC-300℃的¹O₂     

改性稻壳生物炭对水溶液中甲基橙的吸附效果与机制

本文以废弃稻壳为原料,通过不同改性方法将其制成生物炭吸附剂,并用于水体中甲基橙(MO)的吸附.通过氮吸附、X射线衍射(XRD)、傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜分析(SEM)、热重分析(TG)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术分析了改性剂种类、浸渍比和热解温度对生物炭的物理化学性质及对MO吸附量的影响,发现热解温度为400℃,以ZnCl_2为改性剂,浸渍比为2∶1时制备的生物炭Z2RT400对MO的去除效果最好.以Z2RT400为吸附剂,探究吸附剂添加量、吸附时间、初始污染物浓度、溶液pH等对甲基橙吸附效果的影响,结果表明,饱和吸附时间为420 min,吸附反应的最佳pH为4,当吸附剂用量为10 mg,初始甲基橙浓度为2 000 mg·L~(-1)时,Z2RT400对MO的最大吸附量可达1 967. 72 mg·g~(-1);当吸附剂添加量为80 mg时,去除率最高可达99. 52%.此外,对吸附机制进行分析,发现吸附等温线数据符合Freundlich模型,吸附动力学数据符合拟二级动力学模型,说明吸附以化学吸附为主,物理吸附为辅.因此,废弃稻壳为原料改性制备的生物炭可作为高效的有机染料吸附剂,并应用于水体中污染物的治理.     

狼尾草根系分泌物对黑土吸附阿特拉津的影响研究

采用批量平衡试验方法,研究狼尾草根系分泌物对黑土吸附阿特拉津的影响.结果用Evolich方程(R2>0.97)和准二级动力学模型(R2>0.99)进行拟合,两者都表现出较好拟合度.用Langmuir和Freundlich等温吸附方程描述土壤吸附阿特拉津的过程,其中,Freundlich方程拟合结果较好(R2>0.91),而Langmuir方程中R2<0.60,加入狼尾草根系分泌物后,吸附平衡常数Kf明显减小,参数1/n增大到1左右,属于较难吸附,表明狼尾草根系分泌物对阿特拉津可能有抑制作用,且根系分泌物浓度不同,影响程度不同.     

生物炭促进Shewanella sp.JN01厌氧降解水体系中阿特拉津的效能与机制

阿特拉津是一种三嗪类除草剂,具有内分泌干扰效应,其在厌氧环境中的半衰期较好氧环境更长,会对生态环境和人体健康构成威胁.为此,本研究筛选出厌氧条件下普遍存在的硫酸盐还原菌菌株希瓦氏菌（Shewanella sp. JN01）,在明确该菌株的最适生长条件和阿特拉津浓度的基础上,开展了不同温度（250、400和600℃）所制备的生物炭对Shewanella sp. JN01厌氧降解水体系中阿特拉津影响的研究.结果显示,生物炭、Shewanella sp. JN01及两者联合对阿特拉津的最大去除率分别为41.64%、70.52%和88.25%.当菌株/生物炭为2∶1（体积比）时,由玉米芯为原材料在250℃下制备的生物炭因具有较多的脂肪碳而更有效地促进了菌株的生长.通过qPCR检测Shewanella sp. JN01中的阿特拉津降解基因发现其含有atz A基因,但生物炭对atz A基因的表达水平无显著影响.因此,生物炭主要通过促进Shewanella sp. JN01的生长而实现对阿特拉津的有效降解.本研究结果可为利用微生物强化去除厌氧体系中的阿特拉津提供理论依据和数据支撑.     

碳纳米管对阿特拉津的吸附/解吸特性

采用批量实验研究了不同溶液条件下阿特拉津(AT)在单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)上的吸附/解吸行为.实验结果显示,离子强度对AT在SWNT和MWNT上的吸附没有显著影响,但随着pH值的增大,AT在2种碳纳米材料上的吸附量显著增加;这表明,AT在溶液中的存在状态是吸附的主要影响因素.在本实验的研究条件下,AT从SWNT和MWNT上的解吸行为不存在明显的滞后效应.碳纳米管对AT较高的吸附容量和吸附的可逆性表明,碳纳米管的大规模应用将可能带来一定的环境和健康风险.     

浒苔生物炭对雨水径流中氨氮的吸附特性及吸附机制

为探究生物滞留池填料(浒苔生物炭)处理雨水径流氨氮(NH4+-N)的去除效果及机制,进行室内批量吸附实验,在对浒苔生物炭进行碱改性(1、2和3 mol·L-1 NaOH改性,分别标记为BC1、BC2和BC3)基础上,开展改性前后浒苔生物炭对NH4+-N吸附性能研究.结果表明:①适宜浓度的碱改性提高了浒苔生物炭的比表面积...     

荞麦皮生物炭对奥硝唑的吸附研究

以农林废弃物荞麦皮为原料制备生物炭（BBC）,采用XRD、Raman、N₂吸附/脱附、FTIR和XPS方法对BBC进行表征,研究其对奥硝唑（Ornidazole,ONZ）的吸附性能及机理.结果表明,热解温度在400~800 ℃, BBC的得炭率为24.5%~34%;温度升高,BBC的芳香性和稳定性增加（H/C由0.047降低至0.013）,比表面积和孔容升高,对ONZ的吸附率增加.采用不同动力学和吸附等温线模型对不同热解温度BBC吸附ONZ的过程进行模拟,吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir吸附等温线模型,表明BBC对ONZ的吸附为单层吸附.其中热解温度为800 ℃时的BBC（BBC-800）对ONZ的吸附效果最好,最大吸附量达到27.12 mg?g^-1.初始pH为3.02~11.03,对BBC-800吸附ONZ的影响不大;共存离子（Na⁺、NH₄⁺、CO₃^2-、HCO₃^-和SO₄^2-）对吸附过程有一定促进作用; 腐殖酸（HA）抑制吸附效果, 5.0 g?L^-1时ONZ的吸附率由97.15%下降至56.86%. FTIR、N₂吸附/脱附和XPS分析结果表明, BBC-800对ONZ的吸附机制主要包括孔隙扩散,生物炭表面与ONZ分子间的氢键、π-π和p-π共轭作用. BBC-800能够有效去除实际水体（污水厂二沉池出水、湖水）中ONZ的残留. 吸附-解吸3次循环实验表明,BBC-800仍具有较好的吸附性能, 对ONZ的吸附容量为14.10 mg?g^-1. 研究结果对荞麦皮的资源化及奥硝唑类药物的有效去除具有重要参考价值.     

核桃青皮生物炭对重金属的吸附效应分析

以核桃青皮为原料,分别在300、500和700℃的条件下经过限氧热解制备了核桃青皮生物炭WP300、WP500和WP700,并应用于溶液中Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺的吸附去除.结果表明,中等热解温度下的WP500具有最高的重金属吸附性能,且在溶液初始pH为8时吸附效果最佳,对Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺的去除率分别为97.87%、99.78%和71.15%.不同吸附体系下所需的生物炭投加量不一致,在单一金属体系中,WP500对Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺的最佳投加量为1.3、2.1和1.9 g ·L^-1,而在复合污染体系下,生物炭最佳投加量为5.1 g ·L^-1.此外,在单一和复合重金属反应体系中,WP500对3种重金属的吸附量均呈现出Pb²⁺>Cu²⁺>Cd²⁺的规律,且在竞争吸附条件下,3种吸附质之间不存在协同或拮抗作用.等温吸附模型拟合结果显示,WP500对Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺的固定方式较为多元,而动力学拟合结果则证明了WP500与Pb²⁺、Cu²⁺和Cd²⁺之间主要是化学吸附.分析表明核桃青皮生物炭对3种重金属的吸附机制涉及孔隙填充、静电吸附、离子交换、矿物沉淀、官能团络合和π-π电子供体-受体相互作用.本研究为核桃青皮的资源化利用提供了一种新的视角.     

不同热解及来源生物炭对西北黄土吸附敌草隆的影响

以西北黄土为研究对象,采用批量法研究不同温度下制得的生物炭对西北黄土吸附敌草隆的影响.结果表明,敌草隆在添加不同质生物炭黄土上的动力学吸附过程较好地符合准二级吸附动力学模型,且吸附过程主要分为快吸附(0~8 h)和慢吸附(8~12 h)两个阶段,在12 h左右达到平衡;热力学较好地符合Freundlich等温吸附模型;添加生物炭的黄土对敌草隆的吸附量随着温度的升高而增大,且吸附过程中ΔG~θ小于0,ΔH~θ和ΔS~θ大于0;不加生物炭的黄土对敌草隆吸附量则随着温度的升高而降低,且吸附过程中ΔG~θ和ΔH~θ小于0,ΔS~θ大于0;在体系温度范围内,E(吸附平均自由能)为1.29~5.00 k J·mol-1,表明无论是否添加生物炭,黄土对敌草隆的吸附都以物理吸附为主.其影响因素分析结果显示,随着生物炭热解温度的升高,溶液中敌草隆的平衡浓度降低,平衡吸附量增大;添加生物炭的黄土对敌草隆吸附量在0.5~6 mg·L-1浓度范围内快速上升,之后吸附量随初始浓度的升高缓慢增加并逐渐趋于平衡;溶液pH对黄土吸附敌草隆有一定影响,但影响不大.     

氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭除磷性能

通过共沉淀法将氢氧化镧固定在高介孔率的稻壳生物炭上,重点研究了生物炭孔结构、溶液pH和共存物质对氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭吸附磷酸盐的影响.结果表明,镧负载量与生物炭介孔率呈正相关,生物炭介孔率越高,对磷酸盐的吸附速率越快,镧浸出量越低.吸附过程符合伪二级动力学模型,且受颗粒内扩散控制.Langmuir模型能够较好地描述氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭对磷酸盐的吸附过程,理论最大吸附量分别为41.22、43.26和45.62 mg·g^-1,镧利用率较高,P/La量比均大于1.5.此外,氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭能在pH 3~9的范围内有效吸附磷酸盐.共存物质影响实验表明,氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭对磷酸盐表现出良好的选择吸附性,共存Ca²⁺会强化其对磷酸盐的吸附,而共存Mg²⁺则会抑制吸附过程.     

不同生物炭对磷的吸附特征及其影响因素

为了实现植物生物质资源化利用,选择5种生物质材料制备生物炭,通过比较5种生物炭材料的磷吸附能力,筛选出了2种磷吸附效果较佳的材料,并探明了筛选生物炭材料的理化性质及其对磷的吸附特征.结果表明,5种生物炭材料中,仅水稻秸秆和玉米秸秆生物炭对磷具有吸附能力.Langmuir等温吸附曲线表明,水稻秸秆生物炭对废水中磷的吸附能力强于玉米秸秆生物炭,理论最大吸附量为：水稻秸秆生物炭(9.78 mg·g^-1)>玉米秸秆生物炭(0.39 mg·g^-1).水稻秸秆生物炭的比表面积(148.30 m²·g^-1)和总孔体积(0.11 cm³·g^-1)远高于玉米秸秆生物炭8.26 m²·g^-1和0.03 cm³·g^-1,同时水稻秸秆生物炭有更高的Mg、 Ca、 Fe和Al元素含量.水稻秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭对磷吸附的最佳pH为酸性;在不同的pH范围内（3.0～11.0）,水稻秸秆生...     

稻壳灰对抗生素磺胺的吸附特性研究

研究了稻壳灰(rice husk ash,RHA)在改变初始投加量、振荡温度及频率、溶液pH值等不同条件下,对水溶液中磺胺的吸附特性随吸附时间的变化及吸附动力学,并对吸附磺胺前后的RHA进行了SEM和FTIR表征.结果表明,RHA对磺胺的吸附特性受RHA的投加量、振荡温度及振荡频率和溶液pH等因素的影响.在本实验范围内(0.1~2.0 g·L-1),最佳吸附温度为25℃,RHA的投加量越多,磺胺的去除效率越高,吸附达到平衡所需时间越短,且平衡吸附量越低;RHA质量浓度较高时需提高振荡频率以保证吸附效果;强酸、强碱均有利于磺胺的吸附.由吸附动力学分析可知,对于较高的RHA投加量(≥1.0g·L-1),其吸附过程符合准二级动力学模型,受控于物理化学吸附.粒子内扩散模型分析可得吸附过程受膜扩散、内扩散的共同控制,且吸附剂RHA的浓度越高,膜扩散控制作用越明显.SEM及FTIR图谱均表明RHA对磺胺产生了有效的吸附.     

生物炭结构性质对氨氮的吸附特性影响

氨抑制现象在富含有机氮底物的沼气工程中普遍存在,采用生物炭吸附法可固定发酵液中氨氮.为探究生物炭理化结构与氨氮吸附特性之间的相关关系,在不同热解温度(350、450和550℃)下制备以玉米秸秆、稻壳为原料的生物炭,通过元素分析、FTIR和BET等分析生物炭结构及其理化性质,并结合批式吸附实验,研究不同理化性质生物炭对氨氮的吸附特性影响.结果表明随着热解温度的升高,生物炭中碳及灰分含量增多; 450℃制备的玉米秸秆生物炭(CS450)与550℃制备的稻壳生物炭(RH550)对氨氮的吸附分别遵循准二级和准一级动力学模型.Freundlich吸附模型能更好地描述CS450和RH550生物炭对氨氮的等温吸附过程;玉米秸秆炭吸附量与其表面官能团间具有显著相关性;而与稻壳炭的吸附量相关性最显著的为生物炭的比表面积,其次是表面官能团,最后是灰分.其中,RH550吸附性能最好,最大吸附量为12. 16 mg·g~(-1).     

除草剂莠去津(atrazine)在土壤-水环境中的吸附及其机理

为指导农药的使用 ,避免对后茬作物的影响 ,优化农药的施用量、减少环境污染 ,研究了土壤、腐殖酸、粘土矿对莠去津的吸附及其机理 .结果表明 :吸附强弱与土壤理化特性密切相关 ,Feundlich常数 K_af与 OM%有较好的相关性 ( r=0 .975) .腐殖酸对其的吸附起决定作用而粘土矿对其吸附作用并不强 .莠去津在土壤中的吸附可能有氢键、范德华力等作用 .