改性生物炭对重金属离子吸附研究开题报告

1. 研究目的与意义

生物炭是生物有机材料（生物质）在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案。

重金属指比重大于4或5的金属，约有45种，通常的重金属污染物，主要是指汞、铅、镉、铬以及砷等生物毒性显著的重金属的环境污染，还包括具有一定毒性的重金属如锌、铜、钴、镍、锡、钒等。重金属污染物难以治理，它们在水体中积累到一定的限度就会对水体一水生植物一水生动物系统产生严重危害，并可能通过食物链影响到人类的自身健康。在矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业中的许多生产过程中都产生重金属废水，这些废水严重影响着儿童和成人的身体健康乃至生命，如人体若摄取了过多的钼元素会导致痛风样综合症，关节痛及畸形，肾脏受损，并有生长发育迟缓，动脉硬化，结缔组织变性等病症。当前，儿童铅中毒，重金属致胎儿畸形，砷中毒等事件也屡有发生，使重金属污染成为关系到人类健康和生命的重大环境问题。

随着我国工业迅速发展，越来越多含重金属离子的工业废水排放不达标，对土壤和水体造成了严重污染。现行方法主要有化学沉淀法、电解法、离子交换法、萃取法和反渗透法。相对于其他方法，吸附法具有操作简单、无需添加大量化学制剂、能量消耗少等特点。在吸附法中，吸附材料是关键因子。生物炭在高温热解和炭化过程中，因大多保留了原有生物质的孔隙和化学结构，使得炭化后形成丰富的微孔，具有较大的比表面积、孔隙率和天然赋予的多种含氮、氧、硫化学官能团结构。因此，生物炭在解决重金属污染的应用中比活性炭或其它吸附剂更具优势。利用生物炭吸附稳定重金属，在处理成本和操作复杂程度方面远低于电解法、离子交换法、萃取法和反渗透法；而与化学沉淀法相比，不需要沉淀剂，亦不会因为化学平衡限制导致净化水质不能安全达标。除此之外，重金属污染多为均相体系，吸附法有无可比拟的优势，可以预期多功能化生物炭在解决土壤重金属污染等重大技术难题上是最有潜力的吸附剂。

2. 研究内容和预期目标

1．制备生物炭，对其进行改性，研究改性处理对生物炭的比表面积、孔结构和表面性质的影响。

2.以原始生物炭作为对比，系统研究了改性生物炭对工业废水中铜离子的吸附应用。明确氨基改性生物炭对重金属的吸附能力，借助于不同的动力学模型和热力学模型，着重考察重金属吸附过程的吸附动力学和吸附热力学。

3.研究溶液和离子强度对改性生物炭吸附工业废水中重金属的影响，借助化学表征，探究改性生物炭吸附重金属的吸附机理。

3. 研究的方法与步骤

取收集的生物质，经破碎后过10目筛，筛后颗粒放入烘箱中烘干至恒重，后取一定量风干的生物至粉末至于瓷舟中，每份质量2-5g，移入电阻炉中，在流速0.15ml/min的氮气气氛保护下升温至300℃，500℃，650℃，并恒温1h，冷却至100℃一下关闭氮气。即得到相应温度下的碳化物粗产物。制的的粗产物先用1％盐酸浸泡或反复冲洗，去除无机物，然后用蒸馏水反复冲洗至ph6，经烘干后制备。

生物炭在使用前，需要对其进行简单的预处理，大致过程如下：将生物炭过60目筛，过筛后的生物炭转移至大烧杯中并加入适量去离子水，在恒温水浴中磁力搅拌，并控制温度为抽滤，并在条件下烘干至恒重；收集样品并将样品储存在样品干燥器中。

在搅拌条件下，向圆底烧瓶中小心并缓慢地分别加入50 ml，浓硝酸和50 ml浓硫酸，并使圆底烧瓶放置在冰盐浴中，以降低浓硫酸和浓硝酸混合时所产生的巨大热量；加入的同时，控制机械搅拌的转速为300 转/分钟，搅拌两分钟后，两强酸混合均匀，向反应体系中加入预处理的生物炭，然后搅拌反应2小时。停止反应，冷却至室温，抽滤，去离子水洗，随后用异丙醇洗，洗至无色和达到中性为止。将固体滤饼在条件下烘24小时。以去除残余的异丙醇。准确称取上述硝化生物炭5.05 g加入200 ml圆底烧瓶中，同时加入50 ml去离子水和20 ml氨水，机械搅拌15分钟后，缓慢加入28 g连二亚硫酸钠。控制转速搅拌24小时。随后加入120 ml冰乙酸，加热至373k，并回流升温5小时，停止反应冷却至室温，抽滤，去离子水洗，随后用异丙醇洗，洗至无色和达到中性为止，将获得的固体滤饼在363k条件下供干过夜。收集样品并储存在真空干燥器内，所得样品即为氨基修饰的生物炭。

4. 参考文献

［1］陈炳卿．食品污染与健［Ｍ］．北京：化学工业出版社，2002：155－160．

［2］郭平，王观竹，许梦，等．不同热解温度下生物质废弃物制备的生物质碳组成及结构特征［Ｊ］．吉林大学学报：理学版，2014，52（4）：855－860．

［3］刘亚菲，胡中华，许琨，等．活性炭电极材料的表面改性和性能［Ｊ］．物理化学学报，2008，24（7）：1143－1148．

5. 计划与进度安排

1(第一周)接受任务，查阅论题相关文献，进行资料收集，了解论题所研究的背景以及研究目的，拟好开题报告的大纲。

2（第二－三周）按照大纲开始编写开题报告，细化实验步骤并完成开题报告，同时开始英文文献的翻译工作，进入实验室检查药品以及仪器是否齐全，为毕业实验做好准备工作。