生物质炭吸附—催化去除水中典型有机污染物的研究开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告 题 目： 生物质炭吸附催化去除 水中典型有机污染物的研究 学 院： 河 海 学 院 专 业： 环 境 科 学 学生姓名： 诗 文 学 号： 631303070116 指导教师： 陈 晴 空 一、选题背景随着工业的发展，人工合成的有机物越来越多，目前已知的有机物种类约有700万种之多，其中人工合成的有机物种类达10万种以上，且以每年2000种的速度递增。随着人们各种活动，它们以各种不同途径进入水体，这些有机污染物之所以对生态环境和人类健康构成严重的威胁，相当程度上是由于其中一部分在环境中的持久性、可积累性和慢性毒性。本设计选用廉价的生物材料，经物理、化学方法改性和高温下制成生物质炭。利用生物质炭的吸附和催化能力，去除水体有机污染。本设计主要工作是制备一种生物质炭，并利用生物质炭催化过硫酸盐去除水中的典型有机物。主要研究内容包括：1、生物质炭的制取；2、生物质炭吸附催化氧化体系对几种典型污染物的去除；3、有机物在被氧化过程中的变化；4、生物质炭的变化。本设计对专业知识和技能要求较高，需要掌握以下技能：1、科研文献的基本阅读与分析技能；2、材料的合成与基本表征技能；3、有机物的基本测试技能；4、光谱等现代仪器的使用技能。总体来说，本设计难度较大，训练强度较高。二、国内外现状综合国内外生物质炭利用现状，可以分为以下几点：1.生物质炭在农业领域的应用当今大量农田存在着长期过量使用化肥和高强度生产的风险，导致了大批优良农田土壤板结、土壤肥力下降等一系列生态、环境问题，给粮食安全和农业的循环、可持续发展带来了严峻挑战。生物质炭在农业领域的应用，主要有2种形式，一是将生物质炭作为改良剂直接还田，二是将生物质炭作为肥料的载体。1.1生物质炭直接还田改良土壤生物质炭作为土壤改良剂直接施入土壤。有学者将制备的花生壳生物质炭用于酸性红壤和黄棕壤的改良，施加生物质炭可分别使红壤和黄棕壤的pH值提高0.61和0.55，效果明显且稳定。殷大伟等将花生壳生物质炭施入土壤，发现生物质炭能够改善土壤孔隙结构,增加土壤含水率，并能够增加土壤中的养分。绝大部分生物质炭呈碱性，可以有效提高土壤的碱基饱和度，消耗酸性土壤的质子以提高pH值，改良土壤养分。Chan等试验研究表明，在低纬度地区，每1hm2农田土壤施用20t以上的生物质炭可减少10%的肥料施用量。张雯等在土壤中施入20t/hm2的木炭生物质炭，土壤阳离子交换量值增大。因此，生物质炭的增产作用及适宜用量需视农田作物类型、土壤类型和性质等复杂因素制约，生物质炭的作物学效应不能一概而论。1.2生物质炭作为肥料载体的应用虽然生物质炭直接炭化还田可以实现土壤地力的提高和一定程度上农业的增产，但是生物质炭本身可被作物利用的养分含量较少，如果单纯以生物质炭来替代化学肥料存在一定难度。研究表明,生物质炭配合肥料施用可明显改善作物肥效。2.生物质炭在环境领域的应用。在保证经济发展不减速的同时又能满足环保、低碳、可持续的发展要求，成为世界各国面临的重大挑战，而生物质炭作为一种更加绿色、环保的技术措施，在解决上述问题中将发挥着重要作用。2.1土壤污染治理利用利用生物质炭的吸附性吸附土壤中的重金属离子及有毒有害离子，从而改良土壤的特性，防止植物遭受毒害，促进植株正常生长。崔立强等通过田间试验，发现生物质炭施用可以增强土壤重金属的固持作用，能显著降低土壤中重金属的有效性，减少农作物对重金属的吸收。生物质炭由于具有多孔隙、比表面积大等结构特征，对农药除草剂等有机污染物有较强的吸附和固定效果，还可以增强土壤中微生物的活性，从而利用微生物活动来促进土壤中的污染物更快降解或失活。研究发现，在种植韭菜的土壤中施用生物质炭后，虽然氟虫腈和毒死蜱2种农药的残留率较高，但韭菜对农药的吸收显著降低。2.2水污染治理生物质炭对于处理污水、净化和改善水质等方面也有一定效果。生物质炭吸附重金属方面，王亚非等以污水厂污泥制成生物质炭,研究表明随着污泥生物质炭pH的升高对水中Cd2+的吸附量也会相应增加,从而起到净化水质作用。王震宇等研究了不同热解温度生物质炭对 Cd() 的吸附特性，发现随溶液 pH 的升高( 2. 06. 0) ，生物质炭对Cd() 的吸附量逐渐增加。Arvelakis等（2010）研究发现生物质炭对汞离子的吸附能力优于商业煤基活性炭。Uchimiya等（2011）用不同温度生产的生物质炭对水中和土壤中的Cd2+、Cu2+、Ni2+和Pb2+作了研究，发现随着生物质炭的pH升高，它对重金属离子的吸附和固定加强。Liu和Zhang（2009）用松树和米糠生产的生物质炭来研究生物质炭对水中Pb2+吸附，发现生物质炭表面大量的含氧基团对Pb2+有较强的吸附效应。生物质炭去除水体有机污染物方面，郎印海等研究了生物质炭对水中五氯酚的吸附性能研究，周琦等研究了生物质炭对水环境中菲的去除。综上所述，生物质炭在环境领域被广泛应用于固碳减排、污染治理、水体净化等多个方面。作为一种绿色、可再生的资源，生物质炭的应用更加适应新时期低碳经济发展模式，对环境与资源的循环和可持续发展具有重要意义。3生物质炭在新能源领域的应用。生物质能是未来能源的重要来源，开发潜力极大。虽然生物质本身可直接作为燃料使用，但其能量密度低、含水量高等缺点，限制了其直接使用的可行性。若将生物质热解为生物质炭后再作为燃料使用，既可避免生物质直接使用的缺点，也可以缓解能源危机。吴琪琳等将板栗壳在高温下进行热解，得到的生物质炭热值为3035MJ/kg，达到了国家一级精煤的标准。不仅如此，生物质在热解生成生物质炭的过程中还会产生合成气及生物油，合成气和生物油经过深加工又可得到氢气、生物柴油及工业化学品，其应用范围十分广阔。3、 主要内容本设计是生物质炭在水污染处理方面的应用探索，主要工作是制备一种生物质炭，并利用生物质炭催化过硫酸盐去除水中的典型有机物。实验初期根据所查阅的文献，选定材料和制备条件制备一种生物质炭以及拟定几种典型水体有机污染物。根据过硫酸盐反应机理，将植被好的生物质炭作为催化剂和载体进行添加，促进水体有机污染物分解。实验过程中充分阅读相关科研文献并分析同时对有机物的反应状况进行基本测试，熟练使用光谱等现代仪器。实验过程可能遇到的重点问题在于生物质炭对于过硫酸盐氧化反应的催化作用的有效性是否符合实验预期以及记录实验过程中典型有机物被氧化过程中的变化并进行分析。四、实施方案与进度计划4.10-4.15 制定实验方案，选定材料和实验试剂4.17-4.21 制备生物质炭并初步实验4.24-4.28 纠正初步试验的不足并加以改进，再次进行实验5.4-5.5 汇总分析数据，完成实验小结五、主要参考文献1-10参考文献 1何选明, 冯东征, 敖福禄, 等. 生物炭的特性及其应用研究进展J. 燃料与化工, 2015(04):1-3. 2季雪琴, 孔雪莹, 钟作浩, 等. 秸秆生物炭对疏水有机污染物的吸附研究综述J. 浙江农业科学, 2015(09):1477-1480. 3郎印海, 刘伟, 王慧. 生物炭对水中五氯酚的吸附性能研究J. 中国环境科学, 2014(08):2017-2023. 4吕豪豪, 刘玉学, 杨生茂. 生物质炭化技术及其在农林废弃物资源化利用中的应用J. 浙江农业科学, 2015(01):19-22. 5孟军, 陈温福. 中国生物炭研究及其产业发展趋势J. 沈阳农业大学学报(社会科学版), 2013(01):1-5. 6王向前, 胡学玉, 陈窈君, 等. 生物炭及改性生物炭对水环境中重金属的吸附固定作用J. 环境工程, 2016(12):32-37. 7王艳阳, 魏永霞. 基于可持续发展战略的生物炭价值述评J. 水利天地, 2015(04):7-11. 8王震宇, 刘国成, Xing Monica, 等. 不同热解温度生物炭对Cd()的吸附特性J.