基于生物材料构筑的固废资源化利用研究：以水中的PB2+的去除为例

本书以樟树落叶为原料，通过慢速热解制备生物炭，并基于生物炭特性进行分子改性，以提高生物炭的吸附性能，在此基础上对生物炭吸附Pb2+的性能与机理进行深入了研究，并借助相关的仪器和检测手段对比了生物炭改性前后表面的变化。

本书通过对生物炭功能化改性、重金属吸附行为与机理的研究，得到了能够同时兼顾吸附性能和吸附速率的氢氧化钾活化和纳米复合两类功能化改性方法，为生物炭吸附剂的深入研究打下了良好基础。全书共分6章内容，具体包括：绪论、生物炭的制备及其功能化改性与表征、功能化改性前后生物炭对Pb2+的吸附性能、改性前后生物炭吸附Pb2+的吸附动力学与热力学机理、生物炭官能团改性吸附Pb2+的密度泛函理论研究、结论与展望。本书可作为高等院校生物工程、生物技术、化学工程及其他相关专业的本科生、研究生的知识拓展用书，也可作为相关专业的科研工作者和工程技术人员的参考书。

李翠 ---------------------------- 李翠，女，博士，云南开放大学化学工程副教授，“食品生物技术”及“园林技术”专业主任。学校高层次引进人才，云南省科技厅科技专家。主讲生态学、大学化学、环境分析、应用微生物学、分子生物学等多门专业核心课程。在Waste Management、Desalination and Water Treatment、Colloids and Surfaces A 等国内外知名期刊上发表学术论文多篇参编教材2部。主持并参与各级科研课题10余项，获地厅级科技进步奖1项。指导大学生各类竞赛多次荣获省部级奖项。

第1章 绪论……………………………………………………………………… 1 1.1 重金属废水及其处理技术 ……………………………………………… 1 1.1.1 我国的重金属水污染现状 ………………………………………… 1 1.1.2 重金属的性质与危害 ……………………………………………… 2 1.1.3 重金属废水处理技术 ……………………………………………… 6 1.2 生物炭的性质、制备方法与应用 ……………………………………… 9 1.2.1 生物炭的性质……………………………………………………… 10 1.2.2 生物炭的制备方法………………………………………………… 11 1.2.3 生物炭的应用……………………………………………………… 12 1.3 生物炭吸附剂研究进展………………………………………………… 14 1.3.1 生物炭吸附剂的发展历程…………………………………………… 14 1.3.2 生物炭吸附剂的改性方法及性能………………………………… 17 1.3.3 生物炭吸附剂性能的影响因素…………………………………… 20 1.3.4 生物炭吸附重金属离子的机理…………………………………… 22 1.4 研究意义及研究内容…………………………………………………… 25 1.4.1 研究目的及意义…………………………………………………… 25 1.4.2 研究内容…………………………………………………………… 26 1.4.3 研究创新点………………………………………………………… 27 第2章 生物炭的制备及其功能化改性与表征 ……………………………… 28 2.1 生物炭制备及功能化改性方法………………………………………… 28 2.1.1 生物炭的制备……………………………………………………… 28 2.1.2 氧化生物炭的制备………………………………………………… 28 2.1.3 氢氧化钾活化生物炭的制备……………………………………… 29 2.1.4 磁性生物炭的制备………………………………………………… 29 2.1.5 纳米复合生物炭的制备…………………………………………… 29 2.2 生物炭及功能化改性生物炭制备机理………………………………… 29 2.2.1 生物炭制备机理…………………………………………………… 29 2.2.2 氧化生物炭制备机理……………………………………………… 30 2.2.3 氢氧化钾活化生物炭制备机理…………………………………… 30 2.2.4 磁性生物炭制备机理……………………………………………… 31 2.2.5 纳米复合生物炭制备机理………………………………………… 32 2.3 生物炭及功能化改性生物炭的表征…………………………………… 32 2.3.1 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析 ………………………… 32 2.3.2 X射线衍射（XRD）分析 ……………………………………… 33 2.3.3 扫描电镜（SEM）分析 ………………………………………… 34 2.3.4 比表面积分析……………………………………………………… 36 2.3.5 X射线光电子能谱（XPS）分析 ………………………………… 37 2.4 本章小结………………………………………………………………… 41 第3章 功能化改性前后生物炭对Pb2+的吸附性能………………………… 43 3.1 吸附时间对吸附过程的影响…………………………………………… 43 3.1.1 生物炭……………………………………………………………… 43 3.1.2 氧化生物炭………………………………………………………… 44 3.1.3 氢氧化钾活化生物炭……………………………………………… 45 3.1.4 磁性生物炭………………………………………………………… 45 3.1.5 纳米复合生物炭…………………………………………………… 46 3.2 溶液pH对吸附过程的影响 …………………………………………… 47 3.2.1 铅离子化学形态及饱和指数理论计算…………………………… 47 3.2.2 生物炭……………………………………………………………… 49 3.2.3 氧化生物炭………………………………………………………… 49 3.2.4 氢氧化钾活化生物炭……………………………………………… 50 3.2.5 磁性生物炭………………………………………………………… 51 3.2.6 纳米复合生物炭…………………………………………………… 51 3.3 离子初始浓度对吸附过程的影响……………………………………… 52 3.3.1 生物炭……………………………………………………………… 52 3.3.2 氧化生物炭………………………………………………………… 53 3.3.3 氢氧化钾活化生物炭……………………………………………… 54 3.3.4 磁性生物炭………………………………………………………… 54 3.3.5 纳米复合生物炭…………………………………………………… 54 3.4 温度对吸附过程的影响………………………………………………… 57 3.4.1 生物炭……………………………………………………………… 57 3.4.2 氧化生物炭………………………………………………………… 58 3.4.3 氢氧化钾活化生物炭……………………………………………… 58 3.4.4 磁性生物炭………………………………………………………… 58 3.4.5 纳米复合生物炭…………………………………………………… 59 3.5 循环使用性能考察……………………………………………………… 60 3.6 本章小结………………………………………………………………… 61 第4章 改性前后生物炭吸附Pb2+的吸附动力学与热力学机理…………… 63 4.1 吸附动力学……………………………………………………………… 63 4.1.1 生物炭的吸附动力学……………………………………………… 63 4.1.2 氧化生物炭的吸附动力学………………………………………… 65 4.1.3 氢氧化钾活化生物炭吸附动力学………………………………… 67 4.1.4 磁性生物炭的吸附动力学………………………………………… 69 4.1.5 纳米复合生物炭的吸附动力学…………………………………… 71 4.2 吸附等温线……………………………………………………………… 73 4.2.1 生物炭的吸附等温线……………………………………………… 74 4.2.2 氧化生物炭吸附等温线…………………………………………… 75 4.2.3 氢氧化钾活化生物炭的吸附等温线……………………………… 77 4.2.4 磁性生物炭吸附等温线…………………………………………… 78 4.2.5 纳米复合生物炭的吸附等温线…………………………………… 80 4.3 吸附热力学……………………………………………………………… 82 4.3.1 氧化生物炭的吸附热力学………………………………………… 82 4.3.2 氢氧化钾活化生物炭的吸附热力学……………………………… 83 4.3.3 磁性生物炭的吸附热力学………………………………………… 84 4.3.4 纳米复合生物炭的吸附热力学…………………………………… 85 4.4 本章小结………………………………………………………………… 86 第5章 生物炭官能团改性吸附Pb2+的密度泛函理论研究………………… 89 5.1 生物炭吸附Pb2+的DFT 研究 ……………………………………… 89 5.1.1 生物炭表面的DFT计算分析 …………………………………… 89 5.1.2 生物炭吸附Pb2+的计算与结果分析 …………………………… 92 5.2 官能团改性生物炭吸附Pb2+的DFT 研究 ………………………… 97 5.2.1 官能团改性生物炭表面的DFT计算分析 ……………………… 97 5.2.2 官能团改性生物炭吸附Pb2+的计算与结果分析 …………… 103 5.3 本章小结 ……………………………………………………………… 108 第6章 结论与展望…………………………………………………………… 110 6.1 结论 …………………………………………………………………… 110 6.2 展望 …………………………………………………………………… 111 参考文献………………………………………………………………………… 113