摘要
生物炭作为一种常见的吸附剂，具有易于生产、成本低廉、操作简单等特点，在废水处理中广泛应用，通过改性能极大提升生物炭的吸附去除性能。本研究以去除水中亚甲基蓝(MB)染料为例，采用机械化学技术对小麦秸秆基生物炭进行改性，探讨机械化学对生物炭材料理化性质的影响，并基于机械化学法进一步制备绿色环保的生物炭吸附剂，研究其对MB的吸附行为和吸附机理。主要研究结果如下： (1)利用行星式球磨机对秸秆基生物炭(BC)进行机械化学改性，制备球磨生物炭(BMC)。结果表明：球磨后，BC微粒分布范围变窄，平均粒径D50降低，H/C和O/C原子比降低，芳香化程度增强，表面极性降低，热稳定性增强，表面总酸性官能团含量增加，pH减小。BC表面失去平整结构，重新堆积而形成更密集的孔隙结构。当球磨时间达到12小时，BMC的BET比表面积增大4.67倍，达到83.10m2/g，总孔体积增大2.87倍，为0.129cm3/g，平均孔径降低至9.91nm。BC的SiO2晶体结构有所变化，羧基、羰基、酯基等含氧基团含量增加，为吸附反应提供了更多的活性位点，提高其表面活性。进行机械化学改性时，最佳条件为球磨时间12小时、炭球比1∶100和转速300rpm。 (2)采用机械化学技术将BC与生物质电厂飞灰(BFA)进行混合球磨制备飞灰/生物炭复合材料(BMFA)，在BC与BFA混合球磨比例为9∶1时，BMFA对MB的吸附效果最佳。BMFA对MB的吸附在360min达到平衡状态，其平衡吸附量为122.15mg/g。BMFA对MB的吸附过程更符合伪二级(PSO)模型和Freundlich模型，该吸附过程是一个自发的吸热过程。较低进水流速和初始MB溶液浓度条件有利于BMFA吸附柱对MB的动态吸附，Thomas和Yoon-Nelson模型都能较好的拟合BMFA吸附柱对MB的动态吸附过程。利用硝酸脱附剂对BMFA的脱附效果较好，经过5次循环后去除率为初始的64.41%，具有良好的循环再利用性能。BMFA吸附MB的主要机理涉及氢键的形成、π-π相互作用和静电吸引。 (3)将BMC与碱性活化剂KOH混合共热解进一步改性，在700℃高温下热解2小时制备球磨-KOH共热解改性生物炭(KBMC)，在BMC与KOH的混合比例为1∶4时，KBMC对MB的吸附效果最佳，pH=8和45℃实验条件下，平衡吸附量可达到300.66mg/g，去除率达到95.00%。其比表面积高达404.89m2/g，介孔占总孔体积的93.68%，具有多级孔结构，含有丰富的含氧官能团。KBMC对MB的吸附过程更符合PSO和Freundlich模型，相关系数R2值分别为0.9985和0.9935，表明该吸附过程是良好的、非均质性的多层吸附，且化学吸附是主要限速步骤。该吸附过程是自发的吸热反应。较低进水流速和初始MB溶液浓度条件有利于KBMC吸附柱对MB的动态吸附，Thomas和Yoon-Nelson模型均能较好地描述KBMC吸附柱对MB的动态吸附过程。KBMC对MB的吸附反应机理较为复杂，涉及表面非均匀孔隙扩散、静电吸引、氢键和π-π相互作用。此外，KBMC具有较为良好的循环利用性，乙醇脱附剂对KBMC脱附效果更好，经过5次循环再利用后去除率仍为初始的79.71%。 本研究通过对秸秆基生物炭进行机械化学改性，制备了成本低廉且绿色高效的改性生物炭吸附剂，并在水中亚甲基蓝染料的去除治理中成功应用，具备重要的理论价值与实践应用前景。
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