小麦秸秆炭改性活化及其氮磷吸附效应研究

【摘要】：热裂解作物秸秆所产生的秸秆炭具有较发达的孔隙结构、大的比表面积和含有生物成长所需的各种矿物质,且对某些物质有较强的吸附能力。但秸秆炭表面含有大量负电荷,易与阴离子产生静电互斥,导致对阴离子的吸附能力很小。因此,本研究以小麦秸秆为原材料,通过Fe Cl3或Ca Cl2的改性活化,优化制备过程,制备高吸附性能秸秆炭,并寻求最佳制备条件,表征分析秸秆炭相关性质,系统研究其对硝态氮及无机磷的吸附效应。主要结果和结论如下:1、秸秆炭的改性:小麦秸秆先炭化,然后以炭的形式添加化学试剂改性,称之为改性炭。1)单一炭化温度(450℃)秸秆炭的改性。经盐酸活化后,C、N、H含量提高;经Fe Cl3的改性后,炭中C含量降低;其N2吸附量、比表面积和孔径体积都高于未改性的秸秆炭。通过Langmuir方程计算得到最佳改性炭(Fe3+与秸秆炭质量比0.70)最大吸附氮和磷量分别为2.47和16.58mg/g。改性炭对氮及磷的吸附能力差异较大,与吸附方式、改性试剂、炭化温度等有关。2)不同炭化温度秸秆炭的改性。利用Fe Cl3和Ca Cl2改性五种炭化温度下的秸秆炭,吸附氮最佳改性炭记为CFe-N(炭化温度611℃,Fe3+与秸秆炭质量比0.87)和CFe Ca-N(炭化温度500℃,Fe3+与秸秆炭质量比0.70,Ca2+与秸秆炭质量比0.40),吸附磷记为CFe-P(炭化温度400℃,Fe3+与秸秆炭质量比0.85)和CFe Ca-P(炭化温度600℃,Fe3+与秸秆炭质量比0.98,Ca2+与秸秆炭质量比1.20)。改性炭中存在大量的铁氧化物。炭CFe-N和CFe Ca-P对N2吸附量、孔径体积和BET比表面积分别大于炭CFe Ca-N和CFe-P。改性炭表面粗糙,红外光谱图中存在Fe-O-弯曲振动。炭CFe-N的氮吸附能力大于CFe Ca-N,最大吸附量分别为1.33和0.72mg/g(以NO3-计为5.89和3.19mg/g);炭CFe Ca-P的磷吸附能力大于CFe-P,最大吸附量分别为22.17和18.59mg/g。改性炭的吸附量随溶液p H的升高而下降;随改性炭用量的增加,氮及磷去除率逐渐增大;随着吸附时间的延长,改性炭对氮及磷的吸附量逐渐增加,随后吸附量趋于稳定;K2CO3显著减小改性炭对氮及磷的吸附量。变化改性试剂及炭化温度没有增大改性炭对氮的吸附能力,而生物质热裂解过程中添加金属盐类试剂影响炭的产率及理化特性,Fe Cl3或Ca Cl2与秸秆混合后的炭化也影响秸秆炭的理化特性及吸附氮能力。2、秸秆活性炭的制备:小麦秸秆与Fe Cl3或Ca Cl2混合均匀后炭化,得到活性炭。吸附氮最佳活性炭记为Fe AC-N(炭化温度527℃,Fe Cl3添加比率92.5%)、Fe Ca AC-N(炭化温度556℃,Fe Cl3添加比率69.6%,Ca Cl2添加比率29.0%)和Ca AC-N(炭化温度628℃,Ca Cl2添加比率27.9%),吸附磷记为Fe AC-P(炭化温度720℃,Fe Cl3添加比率177.5%)和Fe Ca AC-P(炭化温度655℃,Fe Cl3添加比率79.8%,Ca Cl2添加比率60.2%)。1)Fe Cl3活化秸秆后,炭中存在大量的铁氧化物;而活性炭Ca AC-N的灰分含量降低。吸附氮活性炭对N2吸附量、BET比表面积和孔径体积大小依次为炭Ca AC-NFe AC-NFe Ca AC-N。炭Fe AC-P对N2吸附量和孔径体积都大于炭Fe Ca AC-P。炭Fe AC-N、Fe Ca AC-N、Fe AC-P和Fe Ca AC-P的表面粗糙;炭Ca AC-N的孔径体积大于秸秆炭。除炭Ca AC-N外,活性炭红外光谱图存在Fe-O基团的伸缩振动。活性炭中酸性基团含量大于秸秆炭,p HPZC小于秸秆炭。2)活性炭吸附氮量大小顺序为Ca AC-NFe AC-NFe Ca AC-N,最大吸附量分别为21.51、14.68和12.78mg/g(以NO3-计为95.26,65.01和56.60mg/g);活性炭Fe AC-P对磷的吸附量大于Fe Ca AC-P,最大吸附量分别为4.71和2.39mg/g。p H从2增加至12时,活性炭吸附量逐渐减小;随活性炭用量增加,氮及磷去除率逐渐增大;随着吸附的进行,活性炭吸附氮及磷量逐渐增加,随后吸附量趋于稳定;加入其他共存离子后,活性炭吸附氮及磷量下降。通过Fe Cl3和Ca Cl2对秸秆炭的改性活化,提高了秸秆炭对硝态氮及无机磷的吸附能力,最大吸附能力为95.26及22.17 mg/g。3、秸秆炭在土壤中的应用1)土壤中施加活性炭或改性炭后,对硝态氮及无机磷的吸附能力增强。2)秸秆炭减少土壤中氨的挥发,且氨挥发量随炭量的增加而减小,活性炭的作用大于单纯秸秆炭;活性炭能延长氨挥发的时间,且减少累积氨挥发量。3)土壤中添加秸秆炭可以减少水分蒸发,延缓尿素的分解,在一定程度上抑制了脲酶活性。 【关键词】：秸秆炭 改性活化 炭特性表征 吸附硝态氮及无机磷 土壤养分利用
【学位授予单位】：中国农业科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S156.2
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-19
• 英文缩略表19-20
• 第一章 引言20-31
• 1.1 研究背景及意义20-21
• 1.2 研究进展21-30
• 1.2.1 改性活化对炭的特性的影响21-23
• 1.2.2 炭化时添加活化剂对炭的特性的影响23-27
• 1.2.3 炭在土壤中的应用27-30
• 1.3 拟解决的科学问题30
• 1.4 研究内容与技术路线30-31
• 1.4.1 研究内容30
• 1.4.2 技术路线30-31
• 第二章 秸秆炭的改性31-78
• 2.1 单一炭化温度秸秆炭的改性31-43
• 2.1.1 秸秆炭的改性过程31
• 2.1.2 数据统计与分析31
• 2.1.3 改性炭的表征分析31-37
• 2.1.4 改性炭的吸附特性37-43
• 2.2 不同炭化温度秸秆炭的改性43-74
• 2.2.1 秸秆改性炭的制备过程43-44
• 2.2.2 对氮吸附效果最佳改性炭的优选44-51
• 2.2.3 对磷吸附效果最佳改性炭的优选51-57
• 2.2.4 改性炭的表征分析57-63
• 2.2.5 改性炭吸附特性63-74
• 2.3 讨论与本章小结74-78
• 2.3.1 改性炭吸附机制讨论74-77
• 2.3.2 本章小结77-78
• 第三章 秸秆活性炭的制备78-121
• 3.1 秸秆活性炭的制备过程78-83
• 3.1.1 供试材料78
• 3.1.2 制备过程78-79
• 3.1.3 对氮及磷吸附效果最佳炭的优选79-81
• 3.1.4 活性炭的表征分析81-82
• 3.1.5 活性炭对氮及磷的吸附特性82-83
• 3.1.6 数据统计与分析83
• 3.2 结果与分析83-116
• 3.2.1 对氮吸附效果最佳炭的优选83-93
• 3.2.2 对磷吸附效果最佳炭的优选93-99
• 3.2.3 活性炭的表征分析99-106
• 3.2.4 活性炭吸附氮特性106-111
• 3.2.5 活性炭吸附磷特性111-116
• 3.3 讨论与本章小结116-121
• 3.3.1 活性炭吸附作用讨论116-120
• 3.3.2 本章小结120-121
• 第四章 秸秆炭在土壤中的应用121-135
• 4.1 炭对土壤中硝酸盐和磷酸盐的淋溶影响121-128
• 4.1.1 供试材料121
• 4.1.2 不同浓度的影响121-125
• 4.1.3 不同炭用量的影响125-126
• 4.1.4 不同吸附时间的影响126-128
• 4.2 活性炭对土壤中氨挥发的影响128-131
• 4.2.1 供试材料与实验设计128-129
• 4.2.2 氮挥发量的日变化与累积129-130
• 4.2.3 氮挥发量的模拟与预测130-131
• 4.3 活性炭对土壤中尿素转换的影响131-133
• 4.3.1 供试材料与实验设计131-132
• 4.3.2 对土壤水分的保持作用132
• 4.3.3 对氮素转换的影响132-133
• 4.4 讨论与本章小结133-135
• 4.4.1 土壤中炭的作用133-134
• 4.4.2 本章小结134-135
• 第五章 结论与展望135-137
• 5.1 结论135-136
• 5.2 创新点136
• 5.3 展望136-137
• 参考文献137-148
• 致谢148-149
• 作者简历149

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