摘要
全氟辛酸(Perfluorooctanoicacid，PFOA)因其广泛使用及对生物体的危害而日益受到关注。对于在水环境中普遍存在的PFOA，能耗低、操作简单、效率高的吸附法成为较为普遍采用的去除技术，其中相对环保、经济、有效的生物炭吸附技术，相关研究主要集中在热解温度、改性方法、制备原料对生物炭吸附性能的影响等方面。在生物炭制备原料的研究中，针对以纤维素、木质素和半纤维素三种纯有机质组分为原料及实际原料制备的生物炭，开展了基于热解行为、表面形态、比表面积和官能团等分析的吸附性能探讨。而采用生物炭吸附PFOA的研究则集中在通过增强吸附剂与PFOA之间疏水、静电引力作用以强化其吸附性能的改性方法上，如采用磷酸改性、碱性官能团修饰、熔融碱等。 考虑到三种有机质组分是生物炭制备原料的重要成分，现有研究亦表明生物炭的吸附性能受有机质组分比例的影响显著，为选择适合的制备原料以设计能高效吸附水环境中污染物的生物炭提供技术支持，本研究首先针对三种纯有机质组分，设定典型比例，研究其对生物炭吸附性能的影响，即以PFOA为吸附目标污染物，在熔融碱改性条件下，采用典型比例的纯有机质组分为原料制备生物炭，通过比表面积、孔径分布、官能团、水接触角等性质表征，并进行吸附实验、吸附等温线及吸附动力学实验，探宄有机质组分比例对生物炭PFOA吸附性能的影响及机理，并将结论应用于预测以黄葛树枝、竹子等实际原料制备的生物炭对PFOA的吸附性能。研究成果将为制备PFOA吸附性能更优的生物炭提供参考，也为生物炭的吸附性能预测和分析提供新思路。 论文主要内容和结论如下: ①制备了以一种纯有机质组分为原料的生物炭，吸附实验结果表明对PFOA的吸附性能KC0L1H0-1＞KC1L0H1-2＞KC0L0H1-2。结合性能表征得到，KC1L0H0-2对PFOA是以大量微孔为基础的静电相互作用的吸附，KC0L1H0-1对PFOA是依靠强静电作用及疏水作用的吸附，KC0L0H1-2对PFOA对PFOA是以2-4nm中孔为基础依靠强疏水作用的吸附。 ②设定典型比例制备了以两种纯有机质组分为原料的生物炭，吸附实验结果表明对PFOA的吸附性能KC5L2H0＞KC4L3H0＞KC0L1H2＞KC0L2H1＞KC3L0H2＞KC2L0H1。结合性能表征，纤维素比例升高，生物炭比表面积及微孔面积增大;木质素比例升高，生物炭静电相互作用及疏水作用增强;半纤维素比例升高，生物炭2-4nm中孔增多，疏水作用增强。KC5L2H0对PFOA的吸附是建立在大量微孔吸附位点上，静电相互作用和疏水作用强的吸附;KC3L0H2对PFOA的吸附是建立在大量微孔与2-4nm中孔吸附位点上，疏水作用强的吸附;KC0L2H1对PFOA的吸附是建立2-4nm中孔吸附位点上，静电相互作用和疏水作用强的吸附。 ③设定典型比例制备了以三种纯有机质组分为原料的生物炭，对PFOA的吸附性能KC5L2H1＞KC4L3H1。KC5L2H1的性能表征、吸附动力学及吸附等温线实验表明，其最大吸附容量为1568mg/g，它是以强静电相互作用和疏水作用的化学吸附为主，微孔及2-4nm的中孔为PFOA提供吸附点位，对PFOA阴离子和疏水的尾部进行吸附。纤维素比例对含有三种纯有机质组分的生物炭吸附性能影响明显，其比例越高，比表面积越大，微孔越多，越有利于吸附PFOA。 ④测定实际原料中有机质组分的比例并制备了黄葛树炭KHBC和竹炭KZBC，依照纯有机质组分比例的结论，对它们的吸附性能进行预测，经吸附实验、表征分析验证后，对PFOA的吸附性能KHBC＞KZBC，KHBC的表面官能团组成及酸碱官能团与KC5L2H1相近，零点位点为5.34，水接触角为124.4°，比表面积及微孔面积分别为1527m2/g和1138.2m2/g，KHBC以化学吸附为主，依靠微孔、静电相互作用、疏水作用吸附PFOA，结果基本符合预测，证实了将纯有机质组分比例的结论应用到生物炭实际原料选择上的可行性。此外，黄葛树炭具备良好的重复利用性能，对实际水体中PFOA也有较高的吸附性能，以有机质组分比例为依据选择制备原料，生物炭在实际水环境中对PFOA的去除具有良好前景。
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