氯化钙活化热解生物质及酸化提高生物炭吸附_还原六价铬的研究.pdf

摘要

六价铬Cr(VI)的毒性比三价铬Cr(III)高百倍，更易被人体吸收和蓄积，可诱发肺癌

和鼻咽癌等，其引发的环境污染问题严重影响着人类健康和生态安全。竹木加工厂每天

会产生大量的竹屑废料，这些废弃物的合理资源化利用也有待解决。

基于“以废治废”的指导思想，本文以废料竹屑作为合成生物炭（Biochar，缩写

BC）的原材料，利用CaCl2对其进行前处理，然后用盐酸在不同条件下对其进行改性制

备酸化生物炭（Acidified-Biochar，缩写AcBC）。通过对影响生物炭吸附性能的几个因

素进行响应曲面优化，结合吸附预实验结果，在筛选出的最佳条件下制备出吸附效果最

优的酸改性生物炭（OptimalAcidified-Biochar，缩写Op-AcBC），将其用于去除废水中

的Cr(VI)。通过吸附动力学、等温线和柱吸附评估Op-AcBC对Cr(VI)的吸附性能，探

讨pH值对Cr(VI)吸附的影响考察吸附机理，同时对“吸附-还原-吸附”过程展开动力

学模型研究。主要研究内容及结果如下：

（1）通过对影响生物炭制备的两个主要因素热解温度（PyT）和CaCl2与生物质的

质量比进行两因子五水平的响应曲面设计。PyT因素中设计400~800℃五个水平，CaCl2

与生物质的质量比同样设计0.5~2.5五个水平，对实验数据进行拟合，筛选出Cr(VI)去

除效果最好的BC的制备参数。最优参数是：PyT为400℃，CaCl2与生物质的质量比

为1.6。热解过程中，CaCl2活化起到脱水剂和催化剂的作用，HCl在起到洗脱前驱体中

CaCl2作用的同时还对生物炭表面含氧官能团进行改性。材料表征和吸附实验结果得出

Op-AcBC相对原始生物炭具有更高的比表面积、更丰富的孔隙结构、更大量的羧基官

能团以及更小的接触角。

（2）在不同条件下对静态吸附实验的探究，溶液初始pH为1.0时，Op-AcBC对

Cr(VI)和Cr(tot)的去除效果最好，吸附量分别为419.9mg/g和176.8mg/g。Op-AcBC对

Cr(VI)吸附动力学和吸附等温线分析中，伪二级反应、n级反应动力学以及多步反应动

力学模型均能较好地拟合Cr(VI)和Cr(tot)随时间变化的去除率实验数据。Freundlich模

型比Langmuir模型更能拟合Cr(VI)的平衡吸附，这表明了Cr(VI)的吸附可能发生在非

均相表面，而不是均相表面，同时Sips模型也能很好地拟合q。

e

（3）通过柱吸附实验探究了流量/流速对电镀废水、模拟废水中的Cr(VI)去除的

影响。连续介质模型计算结果与实验结果相差比较大，主要原因是废水成分复杂时，

会导致扩散系数变小，从而造成偏差。Thomas模型和Yoon-Nelson模型对电镀废水和

模拟废水中Cr(VI)的吸附有相同的拟合优度。Thomas模型中吸附量参数受流量影响

较小。Thomas模型和Yoon-Nelson模型均说明流量越大则越快达到吸附平衡，但吸附

量会减小，不能充分发挥吸附剂的特性。

关键词：生物炭，六价铬，酸改性，吸附，CaCl2活化

ABSTRACT

ThetoxicityofhexavalentchromiumCr(VI)is100timeshigherthanthatoftrivalentchromium

Cr(III),whichismoreeasilyabsorbedandaccumulatedbyhumanbody.Itcaninducelungcancerand

nasopharyngealcancer.ThepollutioncausedbyCr(VI)seriouslyaffectshumanhealthandecological

security.Asalargeamountofwastematerialp