微納米含氮秸稈生物炭對(duì)Pb2+的吸附特性與機(jī)理

李葒葒,陳欣潔,葉燕清,楊浙湘,黃興洲,周 曦,張溫爾

(1.閩南師范大學(xué)歷史地理學(xué)院,福建 漳州 363000;2.福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,福建 福州 350002)

鉛(Pb)是重要的工業(yè)原料,廣泛用于生產(chǎn)蓄電池、電纜、板材等。人體攝入過(guò)量的Pb會(huì)嚴(yán)重危害腎臟、神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)[1-2],影響兒童和青少年的大腦發(fā)育[3]。2019年,Pb被列入《有毒有害水污染物名錄(第一批)》[4]。目前,對(duì)于水體中Pb的處理方法主要有化學(xué)沉淀法、生物膜法、電解法、離子交換法和吸附法等,其中吸附法因具有高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[5-9]。

生物炭是生物質(zhì)材料在無(wú)氧或限氧條件下通過(guò)高溫?zé)峤庑纬傻母惶课颷10],具有環(huán)境友好、多功能和高穩(wěn)定性的特點(diǎn),被用于吸附污水中的Pb2+。研究表明,生物炭對(duì)Pb2+的吸附機(jī)制主要包括離子交換、絡(luò)合作用、沉淀反應(yīng)和表面吸附等[11-14]。但未經(jīng)改性的生物炭存在一些固有的劣勢(shì),如官能團(tuán)種類較少且稀疏、比表面積有限等[15],從而限制了其對(duì)環(huán)境污染物的吸附效率。采用合理的修飾方法能夠提高生物炭的修復(fù)性能,前人主要通過(guò)化學(xué)方法對(duì)生物炭進(jìn)行修飾,以提高生物炭的吸附量,主要的改性劑包括MgCl2、Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3、Fe3O4、FeCl3、NaH2PO4、EDTA等[16]。目前關(guān)于鐵改性生物炭的研究較多,負(fù)載鐵后生物炭的比表面積和總孔體積顯著增大,對(duì)重金屬離子的吸附性能也優(yōu)于未改性生物炭[17]。有研究表明,納米硫化鐵改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附量可達(dá)84.7 mg·g-1,是未改性生物炭的3.6倍[18]。此外,巰基改性生物炭也受到越來(lái)越多的關(guān)注,通過(guò)增加重金屬離子與生物炭表面極性官能團(tuán)的絡(luò)合作用,提高了其對(duì)重金屬離子的吸附性能[19]。研究表明,巰基改性生物炭對(duì)溶液中Pb2+的吸附量是未改性生物炭的2倍[20]。這些改性方法均不同程度提高了生物炭對(duì)Pb2+的吸附性能,但生物炭改性技術(shù)仍是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域,迫切需要尋找性能更好的改性方法,解決潛在的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益之間的矛盾。2019年XIAO等[15]首次提出微納米含氮生物炭的概念,它是通過(guò)球磨法將顆粒較大的生物炭研磨之后再負(fù)載氨基的一種改性生物炭。球磨是一種環(huán)保的合成技術(shù),已廣泛用于工業(yè)研磨以及生產(chǎn)不同規(guī)模的各種材料[21]。研究表明,球磨可改變生物炭的結(jié)構(gòu)和表面特性,提高生物炭對(duì)環(huán)境中各種污染物的吸附能力[22]。此外,生物炭負(fù)載氨基可以增加其表面吸附位點(diǎn),提高生物炭堿性,有利于吸附更多的污染物[23]。通過(guò)球磨法制備的微納米含氮生物炭同時(shí)兼具球磨生物炭和負(fù)載氨基生物炭的優(yōu)點(diǎn),對(duì)重金屬離子具有很強(qiáng)的吸附能力[15]。但目前關(guān)于微納米含氮生物炭對(duì)Pb2+的吸附研究還較少。

前人研究大多側(cè)重于不同原材料的生物炭制備與改性,而關(guān)于同一種生物炭經(jīng)過(guò)不同方法改性之后對(duì)Pb2+吸附效果的比較研究較少。因此,以玉米秸稈為原材料,采用炭化后修飾的改性工藝,將微納米含氮生物炭與對(duì)Pb2+吸附性能較好的鐵改性生物炭和巰基改性生物炭進(jìn)行比較,分析不同改性生物炭的元素組成、比表面積、孔徑分布特征等理化性質(zhì),并利用吸附動(dòng)力學(xué)和等溫吸附試驗(yàn)明確不同改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附性能,采用傅里葉變換紅外光譜和連續(xù)解吸試驗(yàn)探究微納米含氮生物炭的吸附機(jī)制,以期為微納米含氮生物炭用于環(huán)境修復(fù)提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 改性生物炭的制備

未改性生物炭是將玉米秸稈通過(guò)氣氛爐在500 ℃、通N2條件下熱解2.5 h制備而成。鐵改性生物炭的制備方法參考康寧等[17]的研究,將30 g玉米秸稈生物炭和超純水以1∶10的質(zhì)量比混勻,制成生物炭懸濁液,再將90 mL的FeCl3/FeSO4溶液(Fe3+與Fe2+摩爾比為2∶1)滴入生物炭懸液中,用NaOH溶液調(diào)節(jié)懸液的pH值至10.5。然后,將懸液在厭氧條件下攪拌1 h后煮沸1 h,再置于室溫下老化12 h,經(jīng)過(guò)濾、沖洗之后在105 ℃下干燥,并標(biāo)記為 FeBC。

巰基改性生物炭的制備方法參照HUANG等[24]的研究,將6.0 g玉米秸稈生物炭與7.2 mL超純水、228 mL乙醇和4.8 mL 3-巰丙基三甲氧基硅烷混勻,并在厭氧條件下攪拌6 h后,用氨水調(diào)節(jié)懸液pH值至9.5,再繼續(xù)攪拌24 h。經(jīng)過(guò)濾、沖洗之后在70 ℃下干燥,并標(biāo)記為SBC。

微納米含氮生物炭的制備方法參照KASERA等[25]的研究,將玉米秸稈生物炭采用震動(dòng)球磨儀(GT200,Grinder,中國(guó))進(jìn)行多次研磨,并使研磨后的生物炭過(guò)0.149 mm孔徑尼龍篩,之后稱取10 g研磨過(guò)的生物炭加入50 mL超純水制成懸液,并將2.85 g NH4NO3粉末加入懸液中攪拌24 h。經(jīng)過(guò)濾、沖洗后在70 ℃下干燥,并標(biāo)記為NBC。

1.2 生物炭的表征

采用元素分析儀(EA3000,EuroVector,意大利)分析不同改性生物炭的C、H、O、N和S含量。具體過(guò)程為:將烘干的生物炭樣品在1 150 ℃條件下燃燒,使所得的混合氣體在還原管中被還原,之后還原氣體經(jīng)解吸分離,測(cè)定C、H、N和S含量,并采用差值法求出O含量。

稱取適量樣品置于玻璃管中,加熱脫氣12 h之后以氮?dú)鉃槲浇橘|(zhì),采用全自動(dòng)比表面積與孔隙度分析儀(Quadrasorb Si,康塔,美國(guó)),通過(guò)低溫N2吸附-脫附法測(cè)定生物炭的比表面積和孔徑大小。

通過(guò)掃描電鏡(Quattro S,賽默飛,美國(guó))觀察生物炭樣品的表面形貌,將樣品進(jìn)行噴金處理,掃描時(shí)的加速電壓為10.0 kV,并在20.0 kV加速電壓下進(jìn)行EDS元素半定量分析。

將生物炭樣品與溴化鉀充分混合,研磨后通過(guò)壓片制備成薄片,以溴化鉀為背景,用傅里葉變換紅外光譜儀(IS50,賽默飛,美國(guó))分析生物炭樣品的表面官能團(tuán)。

1.3 Pb的吸附試驗(yàn)

1.3.1吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

用Pb(NO3)2配制質(zhì)量濃度為200 mg·L-1的Pb2+溶液,以0.01 mol·L-1的NaNO3溶液為背景電解質(zhì),用稀硝酸調(diào)節(jié)pH值為5.0±0.2。準(zhǔn)確稱取0.05 g生物炭到離心管中,加入40 mL上述Pb2+溶液,并在25 ℃、250 r·min-1條件下振蕩。分別在反應(yīng)10、20、40、60 min和2、4、8、24、48 h取樣,樣品離心之后上清液經(jīng)0.45 μm孔徑濾膜過(guò)濾,采用原子吸收光譜儀(PinAAcle 900F,Perkin Elmer,美國(guó))分析濾液中Pb2+濃度,每個(gè)反應(yīng)時(shí)間設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3.2等溫吸附試驗(yàn)

以0.01 mol·L-1的NaNO3溶液為背景電解質(zhì),用Pb(NO3)2配制質(zhì)量濃度分別為0.1、0.5、2、10、50、100、200和500 mg·L-1的Pb2+溶液,并用稀硝酸調(diào)節(jié)pH值到5.0±0.2。準(zhǔn)確稱取0.05 g生物炭到離心管中,分別加入40 mL上述濃度的Pb2+溶液,在25 ℃、250 r·min-1條件下振蕩24 h,樣品離心之后上清液用0.45 μm孔徑濾膜過(guò)濾,用原子吸收光譜儀分析濾液中Pb2+濃度,每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3.3生物炭添加量和初始pH值對(duì)Pb2+吸附的影響

參考SHEN等[26]的研究方法,設(shè)置不同的生物炭添加量(0.5、1、1.5、2.5、3.75、5、10、15 g·L-1)和不同初始溶液pH值(2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0和8.0),對(duì)Pb2+進(jìn)行吸附試驗(yàn)。初始質(zhì)量濃度為150 mg·L-1,振蕩頻率為250 r·min-1,吸附時(shí)間為24 h。樣品收集及測(cè)試方法見1.3.1節(jié)。

1.4 連續(xù)解吸試驗(yàn)

連續(xù)解吸試驗(yàn)參照前人研究方法[27-28],將初始質(zhì)量濃度為200 mg·L-1的等溫吸附平衡的生物炭經(jīng)風(fēng)干之后,逐步加入相應(yīng)的提取劑:(1)物理吸附態(tài)解吸,加入25 mL去離子水并振蕩2 h;(2)離子交換態(tài)解吸,加入8 mL醋酸銨溶液(1 mol·L-1,pH值=7)并振蕩6 h;(3)氫鍵結(jié)合態(tài)解吸,加入10 mL醋酸(4.37 mol·L-1)+鹽酸羥胺(0.04 mol·L-1)溶液并振蕩5 h;(4)絡(luò)合態(tài)解吸,加入10 mL焦磷酸鈉(0.1 mol·L-1)溶液并振蕩5 h。收集4種形態(tài)提取液,采用原子吸收光譜儀分析溶液中Pb2+濃度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

生物炭對(duì)Pb2+的去除率和吸附量計(jì)算公式為

(1)

(2)

式(1)～(2)中,R為去除率,%;C0和Ce分別為溶液初始濃度和平衡濃度,mg·L-1;Q為平衡吸附量,mg·g-1;V為溶液體積,mL;m為生物炭添加量,g。

采用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程對(duì)吸附結(jié)果進(jìn)行非線性擬合,其公式分別為

qt=qe(1-e-K1t),

(3)

(4)

式(3)～(4)中,qt為t時(shí)刻Pb2+的吸附量,mg·g-1;qe為平衡時(shí)Pb2+的吸附量,mg·g-1;t為吸附時(shí)間,min;K1為準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程速率常數(shù),min-1;K2為準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程速率常數(shù),g·mg-1·min-1。

采用Langmuir和Freundlich模型對(duì)等溫吸附曲線進(jìn)行擬合,其公式分別為

(5)

qe=KFCe1/n。

(6)

式(5)～(6)中,Qm為t時(shí)刻Pb2+的吸附量,mg·g-1;qe為平衡時(shí)Pb2+的吸附量,mg·g-1;Ce為吸附平衡濃度,mg·L-1;KL為吸附親和力,L·mg-1;KF為吸附平衡常數(shù),mg·g-1·(L·mg-1)1/n;n為吸附強(qiáng)度。

試驗(yàn)結(jié)果采用Origin Pro 8和SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行擬合和繪圖。連續(xù)解吸試驗(yàn)結(jié)果采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,通過(guò)方差分析(ANOVA)確定結(jié)果顯著性,用鄧肯檢驗(yàn)(Duncan′s test)進(jìn)行組間比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 改性生物炭的基本性質(zhì)

生物炭的元素組成如表1所示。與未改性生物炭相比,FeBC的C、H、O含量分別增加3.94%、12.16%和19.03%;SBC的H和S含量分別增加84.46%和428.67%;NBC的N含量增加12.03%。元素原子數(shù)之比可反映材料有機(jī)元素的組成形式。H/C原子比可反映生物炭的芳香性,比值越小表明芳香性越高[29]。與未改性生物炭相比,FeBC和SBC的H/C比值分別增加7.89%和92.11%,但NBC的H/C比值降低2.63%。可見改性之后FeBC和SBC的芳香性降低,而NBC的芳香性增強(qiáng)。O/C、(N+O)/C比值可反映材料的親水性和極性,比值越高說(shuō)明親水性和極性越強(qiáng)[30]。與BC相比,FeBC的O/C和(N+O)/C比值分別增加11.11%和11.18%;但SBC和NBC的O/C比值分別降低27.78%和11.11%,(N+O)/C比值分別降低31.62%和4.58%。說(shuō)明與BC相比,FeBC的親水性和極性增強(qiáng),但SBC和NBC的親水性和極性減弱。

由表1可知,未改性生物炭的比表面積和總孔體積分別為9.03 m2·g-1和0.025 cm3·g-1,改性之后生物炭的比表面積和總孔體積發(fā)生變化。FeBC和NBC的比表面積分別是未改性生物炭的8.96和6.30倍,總孔體積分別是未改性生物炭的4.08和2.68倍。在前人研究中,負(fù)載鐵之后生物炭的比表面積增加3～4倍,這與改性之后生物炭產(chǎn)生新的微孔以及表面形成大量的氧化鐵顆粒有關(guān)[17]。在改性前通過(guò)研磨縮小生物炭顆粒體積,有利于提高微納米含氮生物炭的比表面積,這與CAO等[22]的研究結(jié)果一致。與未改性生物炭相比,SBC的比表面積和總孔體積分別下降74.53%和68.00%。這可能與巰基改性過(guò)程中生物炭發(fā)生羧基酯化縮合進(jìn)而生成膜狀物,堵塞生物炭表面的微孔有關(guān)[31]。

2.2 改性前后生物炭表面官能團(tuán)變化

圖1 不同生物炭的紅外光譜圖

2.3 生物炭用量對(duì)吸附量的影響

由圖2可知,隨著生物炭用量的增加,生物炭對(duì)Pb2+的去除率逐漸增加。當(dāng)生物炭添加量從0.5 增加到5 g·L-1時(shí),NBC、FeBC和SBC對(duì)Pb2+的去除率分別從34.07%、24.60%和17.47%提高到97.53%、89.03%和42.83%。但隨著生物炭用量增加,對(duì)Pb2+的吸附量表現(xiàn)為降低趨勢(shì),這與前人研究結(jié)果一致[26]。這是由于隨生物炭用量增加,溶液中的吸附位點(diǎn)逐漸增加,使生物炭表面出現(xiàn)空閑的吸附位點(diǎn)。達(dá)到相同去除率時(shí),生物炭用量表現(xiàn)為SBC >FeBC >NBC。

圖2 生物炭添加量對(duì)溶液Pb2+去除率和吸附量的影響

2.4 溶液初始pH值對(duì)吸附量的影響

溶液pH值會(huì)改變Pb2+的離子化程度及生物炭表面官能團(tuán)的電離,從而影響生物炭對(duì)溶液Pb2+的吸附。從圖3可知,當(dāng)初始溶液pH值為2時(shí),生物炭對(duì)Pb2+的去除率最低,NBC、FeBC和SBC對(duì)Pb2+的去除率分別為19.10%、10.40%和14.23%。這是由于在pH值較低時(shí),溶液中大量的H+占據(jù)生物炭表面的吸附位點(diǎn),抑制Pb2+的吸附。

圖3 溶液初始pH值對(duì)Pb2+去除率及平衡后溶液pH值的影響

隨著溶液初始pH值的增加,3種生物炭對(duì)Pb2+的去除率逐漸提高。研究表明,溶液pH值升高會(huì)增強(qiáng)生物炭表面的去質(zhì)子化過(guò)程,產(chǎn)生更多的負(fù)離子中心,進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)Pb2+的吸附[26]。但當(dāng)pH值大于6.5時(shí),溶液中的鉛可能形成Pb(OH)+及Pb(OH)2,影響測(cè)定結(jié)果[36]。此外,當(dāng)溶液初始pH值≥6時(shí),反應(yīng)平衡時(shí)的pH值均低于溶液初始pH值,這可能是由于Pb2+與官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合作用而釋放H+,使平衡時(shí)的pH值降低[37]。

2.5 吸附時(shí)間對(duì)吸附量的影響

如圖4所示,生物炭對(duì)Pb2+的吸附量隨吸附時(shí)間的增加而增加。在前200 min內(nèi),3種改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附速率較快,之后吸附速率逐漸減慢,在500 min之后趨于平衡。在吸附前期,生物炭表面有較多的吸附位點(diǎn),且溶液中的Pb2+濃度相對(duì)較高,因此吸附的驅(qū)動(dòng)力較大;隨著吸附時(shí)間的增加,生物炭表面的吸附位點(diǎn)被占用,且溶液中的Pb2+濃度也逐漸降低,導(dǎo)致后期吸附速率降低直到吸附平衡[38]。3種生物炭對(duì)Pb2+的吸附量總體上表現(xiàn)為NBC >FeBC >SBC。

圖4 不同改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附動(dòng)力學(xué)方程擬合

從表2可知,NBC、FeBC和SBC準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合的R2分別為0.952 4、0.951 9和0.911 1,均大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型擬合結(jié)果?？梢?3種改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附速率并不僅僅依賴于生物炭的比表面積、孔徑體積等,而主要是受化學(xué)吸附機(jī)制控制。

表2 Pb2+吸附動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)

2.6 溶液平衡濃度對(duì)吸附量的影響

從圖5可見,3種生物炭對(duì)Pb2+的吸附量隨Pb平衡濃度的增加而逐漸增加,直到達(dá)到平衡。采用Langmuir和Freundlich模型對(duì)等溫吸附曲線進(jìn)行擬合,相關(guān)參數(shù)如表3所示。3種生物炭的KL和KF均表現(xiàn)為FeBC >NBC >SBC,說(shuō)明FeBC和NBC對(duì)Pb2+的吸附結(jié)合力比SBC強(qiáng)。比較Langmuir和Freundlich模型擬合的決定系數(shù)R2可知,3種生物炭對(duì)Pb2+的吸附等溫線均較符合Langmuir模型,表明3種改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附以單分子層吸附為主。Langmuir模型擬合結(jié)果表明,3種生物炭對(duì)溶液中Pb2+的理論最大吸附量表現(xiàn)為NBC(148.25 mg·g-1) >FeBC(88.22 mg·g-1) >SBC(76.82mg·g-1)。

Ce為溶液平衡濃度;qe為平衡時(shí)Pb2+的吸附量。

2.7 改性生物炭吸附Pb2+前后的超微結(jié)構(gòu)和EDS能譜分析

從圖6可見,玉米秸稈在高溫條件下形成多孔結(jié)構(gòu)的炭材料,未改性的生物炭表面有部分褶皺和凸起,經(jīng)過(guò)鐵改性和負(fù)載氮之后,生物炭孔隙表面出現(xiàn)不同大小的顆粒物,而巰基改性之后生物炭表面較為光滑。在吸附Pb2+之后,SBC表面出現(xiàn)密集的細(xì)顆粒狀物質(zhì),FeBC的孔隙內(nèi)黏附著大量的絮狀物,NBC的孔隙周圍及內(nèi)部均分布有棒狀的沉積物質(zhì)。從EDS能譜可見,3種改性生物炭吸附Pb2+之后,均在其表面檢測(cè)到Pb元素信號(hào)(圖7)。

放大倍數(shù)為200 000倍。

圖7 不同改性生物炭吸附Pb2+前后的EDS能譜

2.8 微納米含氮生物炭對(duì)Pb2+的吸附能力及機(jī)制

前人研究表明,負(fù)載鐵生物炭和巰基改性生物炭對(duì)溶液中的Pb2+具有較強(qiáng)的吸附能力[21]。從Langmuir模型擬合結(jié)果可知,NBC對(duì)溶液中Pb2+的理論最大吸附量分別是FeBC和SBC的1.68和1.93倍。與前人報(bào)道的改性秸稈生物炭相比,NBC的最大吸附量高于巰基改性生物炭、負(fù)載鐵基復(fù)合氧化物生物炭、可溶性有機(jī)物負(fù)載生物炭、負(fù)載β-環(huán)糊精生物炭和負(fù)載羥基磷灰石生物炭(表4)?？梢?微納米含氮生物炭對(duì)Pb2+的吸附能力較強(qiáng)。

表4 不同改性秸稈生物炭對(duì)溶液中Pb2+的吸附能力比較

微納米含氮生物炭對(duì)Pb2+的吸附機(jī)制主要表現(xiàn)為以下幾方面。首先,若生物炭的極性增大、芳香性降低,則會(huì)降低其表面吸附能力[39]。筆者研究中,經(jīng)過(guò)改性之后NBC的芳香性增強(qiáng),親水性和極性減弱(表1),這有利于提高生物炭的表面吸附能力。其次,NBC的比表面積和總孔體積分別是未改性生物炭的6.30和2.68倍,比表面積及孔徑的增大有利于提高生物炭的表面吸附位點(diǎn)。

圖8 微納米含氮秸稈生物炭吸附Pb2+前后的FTIR譜圖

從表5可知,NBC對(duì)Pb2+吸附方式的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為氫鍵結(jié)合(57.98%)>離子交換(29.98%)>絡(luò)合(11.95%)>物理吸附(0.095%)。NBC對(duì)Pb2+的吸附有約90%是化學(xué)吸附,物理吸附的貢獻(xiàn)率較小,這與動(dòng)力學(xué)吸附試驗(yàn)的分析結(jié)果一致(表2)。與FeBC相比,NBC對(duì)Pb2+的物理吸附貢獻(xiàn)率顯著降低約75%(P<0.05),而絡(luò)合貢獻(xiàn)率顯著增加81.86%(P<0.05)。與SBC相比,NBC對(duì)Pb2+的物理吸附貢獻(xiàn)率顯著降低94.47%(P<0.05),而氫鍵結(jié)合的貢獻(xiàn)率顯著增加2.68%(P<0.05)?？傮w上,與SBC和FeBC相比,NBC對(duì)Pb2+絡(luò)合和氫鍵結(jié)合這2種較穩(wěn)定的結(jié)合方式的總貢獻(xiàn)率分別增加2.59%和12.64%。物理吸附是通過(guò)吸附質(zhì)與吸附劑之間的范德華力產(chǎn)生,所以結(jié)合力較弱;其次是離子交換、氫鍵結(jié)合;而絡(luò)合作用是Pb2+與生物炭發(fā)生配位反應(yīng),為4種方式中結(jié)合力最強(qiáng)的[28]?？梢?NBC與Pb2+結(jié)合較為緊密,不易解吸。總體而言,該研究結(jié)果表明,NBC對(duì)Pb2+具有較好的吸附效果,但有可能會(huì)增加水體中的N含量,還需要進(jìn)一步研究。

表5 生物炭對(duì)Pb2+不同結(jié)合方式的貢獻(xiàn)率

3 結(jié)論

(1)與BC相比,NBC的氮含量增加12.03%,芳香性增強(qiáng),親水性和極性減弱。且NBC的比表面積和總孔徑體積分別是BC的6.30和2.68倍。達(dá)到相同去除率時(shí),3種生物炭的用量表現(xiàn)為SBC >FeBC >NBC。隨溶液初始pH值的提高,3種生物炭對(duì)Pb2+的吸附量逐漸增加。

(2)3種改性生物炭對(duì)Pb2+的吸附能力表現(xiàn)為NBC >FeBC >SBC。NBC對(duì)Pb2+的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,以化學(xué)吸附為主;等溫吸附過(guò)程更符合Langmuir模型,為單分子層吸附,最大吸附量為148.25 mg·g-1,分別是FeBC和SBC的1.68和1.93倍。且NBC吸附Pb2+之后孔隙周圍及內(nèi)部有棒狀沉積物質(zhì)形成。

(3)NBC對(duì)Pb2+的吸附機(jī)制包括離子交換、絡(luò)合、陽(yáng)離子-π鍵結(jié)合和沉淀作用等。連續(xù)解吸結(jié)果表明,NBC對(duì)Pb2+的吸附較穩(wěn)定,各吸附方式的貢獻(xiàn)率表現(xiàn)為氫鍵結(jié)合(57.98%)>離子交換(29.98%)>絡(luò)合(11.95%)>物理吸附(0.10%)。