纳米铁复合生物炭及其修复铬污染土壤的研究进展开题报告

3.1 纳米铁复合生物炭的制备与表征

选取秸秆生物质源与氧化铁混合制备零价铁复合生物炭，初始温度为25°C，升温速率为15°C/min，分别升温至500°C或800°C，再保持2 h，氮气氛围下制备铁复合生物炭。进一步将制备的铁复合生物炭球磨（QM-3SP04, China），过200目筛（0.074 mm）。根据斯托克斯（Stokes）定律，通过沉降虹吸法提取分离得到纳米铁复合生物炭。对纳米铁复合生物炭进行基本理化性质的表征，包括pH值、元素组成和含量、比表面积、孔径分布、氧化还原电位、形貌特征、水力学半径、Zeta电位、石墨化程度、矿物组成、表面含氧官能团等。其中，纳米铁复合生物炭的形貌及化学组成使用透射电子显微镜（TEM, FEI Tecnai G2 F20 S-Twin）、扫描电子显微镜（SEM, Quanta 250 FEG）及能谱分析。矿物组成和化学结构分别使用X射线衍射仪（XRD, D8-Focus, Bruker AXS Co., Ltd., Germany）和傅立叶红外光谱分析（FTIR, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA）。固液比为1:40（wt./wt.）条件下，测定纳米铁复合生物炭的pH值。C、H、O和N含量使用元素分析仪测试（Vario ELIII Elementar, Germany）。

3.2 纳米铁复合生物炭对重金属铬的吸附动力学和热力学实验

（1）纳米铁复合生物炭对铬的吸附动力学实验

以50 mL离心管作为反应器，在室温条件下进行纳米铁复合生物炭对铬的吸附动力学实验。在每个离心管中加入0.2 g纳米铁复合生物炭，以及20 mL浓度为10 mg L^-1的铬溶液。将离心管在旋转培养器上旋转，分别在一定时间（5、10、20、30、60、120、240、480、720、1080、1440 min）后取出，然后在4000 r min^-1转速下用离心机将其离心30 min，使用0.22 μm水相针式滤器过滤以达到固液分离。使用ICP和AAS测定分离液中的总铬和六价铬浓度，绘制纳米铁复合生物炭对铬的吸附动力学曲线。

（2）纳米铁复合生物炭对铬的吸附热力学实验

以50 mL离心管作为反应器，在室温条件下进行纳米铁复合生物炭对铬的吸附热力学实验。在每个离心管中加入0.2 g纳米铁复合生物炭，以及20 mL一定浓度的铬溶液（0.5、1.0、2.5、5、10、20、35、50 mg L^-1）。将离心管在旋转培养器上旋转达到吸附平衡，然后在4000 r min^-1转速下用离心机将其离心30 min，使用0.22 μm水相针式滤器过滤以达到固液分离。使用ICP和AAS测定分离液中的总铬和六价铬浓度，绘制纳米铁复合生物炭对铬的等温吸附曲线。

采用原位傅里叶红外光谱（ATR-FTIR）、X射线能谱（XPS）等原表征技术，分析吸附Cr(VI)前后纳米铁复合生物炭表面含氧官能团和Fe形态的变化、以及Cr的赋存形态，揭示纳米铁复合生物炭对Cr(VI)形态转化过程和分子作用机制

3.3 纳米铁复合生物炭在多孔介质中的迁移行为

填充柱使用玻璃高压层析柱（柱子内径为1.2 cm，长为8 cm），柱两端分别装80 μm孔径的尼龙膜（Milliopore）。称取1.0 g左右经处理的石英砂，缓慢倒入层析柱中，用玻璃棒轻轻夯实，重复上述操作直至层析柱装填满，记录石英砂的总质量。装填好的填充柱，用蠕动泵自下而上泵入去离子水饱和，饱和时间至少为24 h。泵入的过程中，调节蠕动泵的流速恒定为0.25 mL min^-1。

首先向土柱中泵入20 PVs含有不同背景溶液的200 mg L^-1的纳米铁复合生物炭悬浮液，其间使用磁力搅拌器剧烈搅拌悬浮液，防止其团聚。继续泵入5 PVs不含纳米铁复合生物炭相同条件的背景溶液，直至出流液中检测不到纳米铁复合生物炭。使用自动部分收集器（BS-100A, Huxi Analytical Instrument Factory Co., Ltd., Shanghai, China）收集出流液，并测试出流液中纳米铁复合生物炭的浓度，绘制纳米铁复合生物炭的穿透曲线。测试入流液和出流液中纳米铁复合生物炭的水力学半径和Zeta电位。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、Zeta电位纳米粒度仪并结合DLVO/XDLVO理论等分析入流液和出流液中纳米铁复合生物炭表面微观结构、粒径大小和电荷性质的变化，推断纳米铁复合生物炭在土壤中的滞留机制。

3.4 纳米铁复合生物炭对重金属铬在多孔介质中迁移的影响

（1）首先分别向饱和的石英砂柱中泵入20 PVs不同背景溶液的200 mg L^-1的纳米铁复合生物炭与10 mg/L Cr(VI)混合溶液，继续泵入5 PVs相同条件的背景溶液，直至出流液中检测不到纳米铁复合生物炭和Cr(VI)。

（2）首先分别向饱和的红土柱中泵入20 PVs不同背景溶液的200 mg L^-1的纳米铁复合生物炭悬浮液。5 PVs不含纳米铁复合生物炭相同条件的背景溶液，直至出流液中检测不到纳米铁复合生物炭，然后继续泵入20 PVs的10 mg/L Cr(VI)溶液（相同条件的背景溶液）。紧接着继续泵入5 PVs相同条件的背景溶液，直至出流液中检测不到Cr(VI)。纳米铁复合生物炭悬浮液以及其与Cr(VI)混合溶液，泵入石英砂柱前，需先超声30 min，并在迁移过程中剧烈搅拌，充分保持入流液中纳米铁复合生物炭的分散性。

出流液中纳米铁复合生物炭的浓度使用紫外分光光度计比色测定。此外，取部分出流液在10000 r/min条件下离心30 min，过0.22 μm膜，采用二苯碳酰二肼显色法于540 nm处紫外分光光度比色测试过滤液中Cr(VI)的浓度，使用原子吸收光谱测定过滤液中Cr的浓度测试。取部分出流液在10000 r/min条件下离心30 min，去除上清液，将剩余固体在-50°C条件下冷冻干燥12 h后，使用扫描电子显微镜-能谱分析生物炭纳米颗粒表面Cr的分布；同时采用XPS分析生物炭纳米颗粒表面Cr(VI)和Cr(III)的占比。