尿素改性生物炭对水中亚甲基蓝和镉的吸附性能及机理研究.pdf

摘要

印染废水不仅含有亚甲基蓝（MB）等染料，还含有重金属镉（Cd2+）等无机污

染物，治理难度大。目前，生物炭在去除水中污染物中表现优异，特别是氮掺杂生

物炭可以提高对污染物的吸附效果。但关于尿素改性生物炭对水中亚甲基蓝和重金

属镉的吸附性能及机理尚不清楚。为此，本文以大豆秸秆为原料，300℃限氧热解

制备原始大豆生物炭（BC），用尿素改性制备尿素改性生物炭（NBC），通过批量吸

附实验来研究改性前后生物炭对MB和Cd2+的吸附表现，结合吸附前后生物炭特性

表征，探究吸附机理以及不同环境因子对MB和Cd2+吸附的影响。主要结果如下：

（1）改性前后生物炭的理化特性

2-1

与BC相比，NBC比表面积减小了23.93%，为2.86mg；平均孔径增加了

6.71%，为17.17nm；从元素组成来看，NBC的H/C降低其芳香性增强，O/C、

(O+N)/C比值增加，表明含氧官能团和极性增强。BC和NBC的Zeta电位随pH增大

而降低，导致其负电性增强；在相同pH条件下NBC的Zeta电位值低于BC，NBC

的负电性更强。FTIR结果表明，NBC的-OH振幅增强，有利于氢键的形成；C=C/C-

C的存在表明具有稳定的芳香结构；NBC比BC的CN官能团含量高。XPS中C1s

显示C=C/C-C、C=O峰面积增加，表明芳香性和含氧官能团含量增加，N1s显示

NBC的吡啶-N含量增加，意味着将通过路易斯酸碱作用增强对污染物的吸附。

（2）BC和NBC对MB的吸附性能及机理研究

吸附动力学结果表明，BC和NBC对MB的准二级动力学拟合效果较好，R2分

别为0.868和0.955，表明吸附过程以化学吸附占主导，Elovich模型表明吸附过程牢

固，不易发生解吸。从Langmuir、Freundlich和D-R模型进行等温吸附拟合时发现，

不同温度下Langmuir的拟合参数优于Freundlich的拟合参数，表明NBC对MB的吸

附属于单分子层吸附，温度越高吸附性能越好。吸附热力学结果得出，∆G＜0，表

明吸附过程是自发进行，∆H＞0，表明吸附过程为吸热过程，∆S＞0，表明吸附过程

的不可逆性。吸附机理主要为氢键作用、静电吸附、π-π相互作用、路易斯酸碱作用

及孔隙填充等。

（3）BC和NBC对Cd2+的单一吸附性能及机理研究

NBC和BC对Cd2+的吸附动力学更符合准二级动力学吸附模型和Elovich吸附模

型，证明吸附过程中化学吸附起主导作用。吸附等温线中，Langmuir和Freundlich模

型对重金属Cd2+的拟合过程都较好，表明物理吸附和化学吸附同等重要，BC和

NBC对Cd2+的理论最大吸附量为169.21mgg-1和147.87mgg-1。热力学参数中∆G＜

0，∆H＞0，∆S＞0，表明吸附过程为自发、吸热、不可逆过程。Cd2+的吸附机理主

要是：沉淀作用、络合作用、离子交换及孔隙填充等。

（4）环境因子对MB和Cd2+的共吸附影响

+2++2+2+

在离子竞争实验中，阳离子（Na、Ca、Na+Ca）对吸附MB和Cd的抑制

-2--2-2++

作用较阴离子（Cl、CO3、Cl+CO3）更大，其中Ca的抑制作用大于Na。可溶

性有机酸（HA、OA、CA）对MB和Cd2+的共吸附呈现抑制作用，但低浓度HA促

进吸附。生物炭对不同自然水体水样中MB和Cd2+的吸附效果有所下降，但NBC对

MB、Cd2+的去除率仍保持在83%、81%以上，整体表现出