论文总字数：16225字

目 录

1 引言 5

1.1 铅的污染和危害 5

1.2 铅的去除方法 5

1.3 生物炭 5

1.4 国内外研究 6

1.5 选题的目的和意义 6

2 材料与方法 6

2.1 实验仪器与试剂 6

2.2 生物炭的制备 7

2.3 生物炭的表征 7

2.3.1 生物炭的产率 7

2.3.2 灰分 8

2.3.3 生物炭的pH 8

2.4 测量铅的吸附量 8

2.4.1 硝酸铅储备液的配制 8

2.4.2 标准曲线的配制 8

2.4.3 原子吸收分光光度计 9

2.5 铅的吸附实验 10

2.5.1 不同热解时间和温度的影响 10

2.5.2 不同投加量的影响 10

2.5.3 初始铅溶液pH的影响 10

2.6 铅吸附的动力学 11

2.7 铅的等温吸附 11

3 结果与分析 11

3.1 生物炭的表征 11

3.1.1 生物炭的产率和灰分 11

3.1.2 生物炭的pH 12

3.1.3 生物炭吸附前后电镜图 12

3.2 不同热解时间温度的影响 13

3.3 投加量的影响 13

3.4 初始铅溶液pH的影响 14

3.5 动力学 15

3.6 等温吸附 17

4 结论与展望 19

参考文献 21

致 谢 23

芦苇生物炭吸附溶液中铅的研究

郭文洁

，China

Abstract: This paper studied the adsorption of the biochar for Pb² which was transformed from reed in high temperature. Also, it analysed the effect of the different pyrolysis time and temperature, the initial solution pH, biochar dosage on the adsorption. And the adsorption mechanism was studied by kinetics and isotherm. Results showed that the adsorption amount of lead can achieve the best when the biochar’s dosage is 0.09g, the initial solution pH is 5.5, which biochar was finished after 4h pyrolysis at 500℃. In comparison, reed biochar is more in line with fake two dynamics. It arrived balance after 24h and R² is greater than 0.99. This indicated that biochar adsorption of lead is chemically adsorbed. Reed biochar can well meet the Langmuir isotherm. The actual adsorption capacity at 10℃, 25℃, 40℃were 21.89mg/g, 24.06mg/g, 24.95mg/g. This described that biochar adsorption of lead is monolayer adsorption.

Key words: Reed biochar; lead; adsorption

1 引言

1.1 铅的污染和危害

近年来，随着工业的不断蓬勃发展，各种含有重金属的污废水大量排入水中，导致我国出现了严重的水污染。铅是一种典型的有毒重金属，主要来源于冶炼、制造等工业活动。若是处理不当就排放进水体，会破坏水体结构并污染水资源。人饮用了铅超标的水，铅便会在人体内富集对人体健康产生极大的威胁。尤其是铅对儿童的伤害特别大，不仅会导致儿童血铅负荷，损伤神经系统，严重的可能导致头疼、呕吐、行动迟缓，甚至死亡，更有致癌的风险^[1]。即使是低浓度的铅，也有可能破坏人的中枢神经，引发心血管疾病等的危害^[2]。

1.2 铅的去除方法

一般去除铅的方法有化学沉淀法、电化学法、吸附法、离子交换法等等^[3]。但是如上方法都有缺点，例如不能完全去除污染物，需要很多的能量，会造成二次污染等，因此社会迫切需要低成本、高效率、对环境友好的去除铅的方法^[2]。电化学法是通电之后电极与铅离子交换反应转移至稀硝酸溶液中的方法。这种方法的优点是用时较短，去除率高，但能耗较高^[4]。化学沉淀法是利用投加的物质与铅发生化学反应产生沉淀，然后过滤来去除铅的方法。但这种方法的最大缺点就是会产生大量有毒的含铅沉淀，如果不加以处理容易造成二次污染^[5]。离子交换法是把溶液中的离子与铅离子交换达到去除铅的目的，这种方法的特点是占地面积大，成本高，却容易造成二次污染。吸附法是利用多孔的吸附剂把污废水中的铅吸附掉来去除铅，传统的吸附剂是活性炭，虽然其吸附能力很强，但成本较高，所以现在不推广使用^[6]。近年来许多研究表明，由生物物质作为原料转化成的生物炭比起活性炭有降低成本的优点，而且生物炭的吸附能力也很强^[7]。

1.3 生物炭

在去除铅的不同方法中，生物炭作为原料广泛的一种吸附去除方法，有着广阔的前景。用生物炭不仅可以吸附铅减少环境污染还能有效利用废弃物资源，提高资源利用效率。生物炭是由动植物等生物物质在缺氧或者少氧的条件下高温热解（通常小于等于700℃）形成的含有丰富的碳的材料，它还具有十分发达的孔隙结构能够吸附物质^[8]。生物炭表面的多孔结构、芳香表面和官能团在生物炭吸附重金属时起着至关重要的作用^[9]。不同原料制成的生物炭在孔隙结构、组成成分、表面性质等方面存在一定的差异，这些都会影响到生物炭吸附重金属的能力。竹炭、木屑炭等具有较丰富的孔隙结构和大的比表面积，有多种含氧官能团，但其灰分低。禽类粪便炭比表面积较小但其灰分高。作物制成的生物炭的比表面积和灰分都大^[10]。芦苇是我国常见的水生植物，在鱼米之乡的江苏更是随处可见，如果放任大片的芦苇枯萎腐烂可能会对环境造成污染，也是对资源的浪费^[11]。考虑到其原材料丰富、制备工艺简单、可回收利用、不会造成二次污染等优点可以选择芦苇炭吸附铅^[12]。

1.4 国内外研究

因为生物炭的种种优点，国内外在土壤和处理污水方面对生物炭进行了各种研究。Inyang M等人^[13]研究的从厌氧消化的生物物质转化成的生物炭可以用作活性炭，作为处理污水中重金属的备选吸附剂。从消化的原料转化成的生物炭高的重金属去除率表明厌氧消化可以用作“生物活性”的一个手段，作为高品质的生物炭吸附剂。因为从生物炭里释放的碳酸盐和磷酸盐都有较强的缓冲能力，可以提高溶液的pH值，所以可以作为酸性土壤的改良剂，在农业和工业中大力推广进一步的研究。Caporale A G等人^[14]研究了由生物物质制备的生物炭去除水溶液中的重金属成本低。在确定固液界面上的生物炭-金属键的性质时，利用新的核磁共振的技术可以得到在生物炭孔隙内的水运动受金属吸附的影响。Abdel-Fattah T M等人^[9]研究的由松木缓慢热解成的生物炭可以作为土壤改良剂也可以吸附溶液中的镁、钙、铬、铅。使用元素分析、SEM、BET表面积、FTIR和XRF生物炭进行表征得到生物炭有几种非常有利的特性。孟梁等人^[11]研究的湿地芦苇生物炭对铜离子的吸附符合准二级动力学方程，生物炭的吸附速率随着热解温度的升高而增加。张越等人^[24]研究得到生物炭对铅离子的吸附比活性炭好，而且在溶液pH为4-6时的吸附效果较好。

1.5 选题的目的和意义

本文以自制的芦苇生物炭为实验材料，研究生物炭热解时间温度、溶液初始pH、生物炭投加量等因素对生物炭吸附溶液中铅的影响，通过模型拟合进行等温吸附和动力学分析，并探讨其吸附机理，为研究治理水中重金属污染的应用提供一定的可行性和数据支持，从而筛选出经济高效的生物炭来更好的吸附去除污水中的重金属。

2 材料与方法

2.1 实验仪器与试剂

实验中所用仪器与试剂如表2-1所示。此外实验中还用到的仪器有移液管、锥形瓶、烧杯、容量瓶、滤头、针筒等。

表2-1 实验仪器与试剂

2.2 生物炭的制备

原材料是来自学校河边的芦苇，将其剪成0.5-1cm的小段放入坩埚内，再放置马弗炉内在缺氧的情况下高温热解成生物炭，热解完成之后冷却至室温再取出。将热解完成的生物炭放入研钵内研磨成粉末状，最后过50目筛后装袋保存。

2.3 生物炭的表征

2.3.1 生物炭的产率

在制备生物炭之前用电子天平称量坩埚和芦苇的重量，在制备完后称量坩埚和炭的总重并记录下来，以此计算生物炭的产率。

利用热解前后称量的坩埚、芦苇和炭的重量，根据以下公式计算产率：

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