發(fā)布時間：2018-01-02 21:30

  本文關鍵詞：功能化生物炭緩解納米顆粒毒性和膜污染及儲能應用研究　出處：《中國科學技術大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 生物炭 氧化銅納米顆粒 植物毒性 脫毒 膜污染 MBR 重金屬 超級電容器

【摘要】：生物炭是生物質熱解過程的固體副產物。近年來,生物炭在緩解全球變暖、改良土壤及去除污染物等方面得到了較為廣泛的應用。本論文研究了生物炭對氧化銅納米顆粒植物毒性的緩解作用與機理,探究了改性生物炭在膜生物反應器中對膜污染的緩解與機制,最后探索了重金屬污染的生物質制備得到的生物炭在儲能方面的應用。本研究旨在通過對生物炭與納米顆粒、生物炭與微生物胞外分泌物的作用、以及生物炭的電子傳遞性能研究,拓展生物炭在環(huán)境和能源領域的新應用,促進廢棄生物質的處置與資源回收。論文主要研究內容和結果如下:1.生物炭緩解氧化銅納米顆粒(CuONPs)植物毒性機理:在小麥萌芽實驗和水培生長實驗中,研究了不同濃度的氧化銅納米顆粒對植物生長的影響,分析了生物炭對氧化銅納米顆粒植物毒性的緩解作用,并通過設計實驗對其脫毒機制進行了驗證。結果表明,生物炭對氧化銅納米顆粒的植物毒性具有顯著的緩解作用,在水培系統(tǒng)中添加3%的生物炭,可以完全消除高濃度(500 mg L-1)CuONPs對小麥生長的抑制,并降低小麥組織內的銅含量,降低毒性金屬在作物內的富集。其脫毒機理主要包括生物炭對納米顆粒釋放銅離子的吸附,以及生物炭的空間阻隔作用,即植物根系表面吸附的生物炭減少了銅離子和納米顆粒與植物的直接接觸,降低納米氧化銅的毒性。2.生物炭對膜生物反應器(MBR)膜污染的緩解作用與機制:研究了不同改性生物炭對MBR膜污染的影響,分析了不同類型的阻力與污泥性質的相關性,探索了生物炭的抗污機理�？缒翰�(TMP)測試結果顯示堿洗生物炭、親水性生物炭和活化生物炭的投加都能顯著緩解膜污染。生物炭的添加能降低系統(tǒng)內的胞外聚合物(EPS)濃度和膜過濾阻力,其中,堿洗生物炭的添加主要降低膜的濾餅層阻力,而親水性生物炭和活化生物炭的添加主要降低膜的濾餅層阻力和孔堵塞阻力。另外生物炭的親水性有利于提高污泥的沉降性能,降低膜的濾餅層阻力,緩解膜污染。3.重金屬污染生物質制備生物炭的儲能應用探索:利用吸收和吸附鎳的水葫蘆生物質,通過快速熱解和活化制備了 Ni,N摻雜的多孔碳材料,并比較了吸收和吸附鎳對材料電化學行為的影響。結果表明,通過快速熱解和活化水葫蘆生物質制備的多孔碳材料具有良好的超級電容器性能,Ni對材料的電容器性能具有明顯的促進作用,其中,在生長過程中吸收的Ni相對于吸附的Ni更能提高材料的電容性能。主要原因包括:在熱解和活化過程中,吸收的Ni比原位吸附的Ni具有更有效的催化造孔作用;在生長過程中,Ni能促進水葫蘆中氮的吸收,增加多孔碳的N摻雜量;并且吸收的Ni在材料中傾向于生成粒徑更小的NiO顆粒,提高材料電容性能。
[Abstract]:Biochar is solid by-product of biomass pyrolysis process. In recent years, the biological carbon in the mitigation of global warming, soil improvement and removal of pollutants has been widely used. This paper studies the mitigation effect and mechanism of biochar on copper oxide nanoparticle toxicity in plants, explore the modified biological mechanism of carbon mitigation and membrane fouling in membrane bioreactor, and finally explore the biological activated carbon prepared by the heavy metal pollution in the application of biomass for energy storage. This study aims to biochar and bio carbon nanoparticles, and microbial extracellular secretions, and electron transfer properties of biochar, develop new biological applications carbon in the field of environment and energy, promote the disposal and recycling of waste biomass. The main research contents and results are as follows: 1. the biological carbon mitigation copper oxide nanoparticles (CuONPs) plant Toxic mechanism: in wheat germination experiment and hydroponic growth experiment, the effects of different concentrations of copper oxide nanoparticles on the growth of plants, analyzed the mitigation effect of biochar on copper oxide nanoparticle toxicity in plants, and verified by experimental design on its mechanism of detoxification. The results showed that the toxicity of biochar on plants copper oxide nanoparticles have significant mitigation effects of biochar in the 3% hydroponic system, can completely eliminate the high concentration (500 mg L-1) inhibited CuONPs on wheat growth, and reduce the copper content of wheat tissue, reduce the toxicity of metal enrichment in the crop. The detoxification mechanism mainly includes biological adsorption the release of copper ion on carbon nano particles, and biological carbon space barrier effect, namely the biological carbon adsorbed on the surface of plant roots to reduce the copper ions and nanoparticles and plant direct contact, reducing Na For the toxicity of.2. biological carbon meters copper oxide (MBR) membrane biological reaction to alleviate the effects and mechanism of membrane fouling: the influence of different modified biochar on MBR membrane fouling were studied, analyzed the relationship between the resistance and sludge properties of different types, explore the anti fouling mechanism of biological carbon (trans membrane pressure. TMP) test results show that the alkali washing of biochar, hydrophilic biological carbon and activated biochar addition can significantly alleviate membrane fouling. Biochar addition can reduce the extracellular polymers in the system (EPS) concentration and membrane filtration resistance, the alkali washing of biochar added to reduce the filter cake resistance membrane, hydrophilic biological carbon and activated biochar addition decreased the cake layer resistance and membrane pore blocking resistance. In addition, hydrophilic biochar is beneficial to improve the settling performance of sludge, reduce cake resistance, alleviate membrane fouling of.3. heavy metal pollution of biomass Preparation of biological carbon storage application: absorption and adsorption of nickel by water hyacinth biomass, fast pyrolysis and activation of Ni were prepared, the porous carbon materials doped with N, and compared the absorption and adsorption effect of nickel on the electrochemical behavior of materials. The results show that the super capacitor has good performance by fast pyrolysis porous carbon materials and activation of water hyacinth biomass preparation, Ni capacitor performance of materials has obvious role in promoting, the absorption in the process of growth of Ni relative to the adsorption of Ni can improve the performance of capacitor materials. The main reasons include: in the pyrolysis and activation process, the absorption of Ni in situ adsorption ratio Ni has more effective catalytic pore effect; in the growth process, Ni can promote the water hyacinth in nitrogen absorption, increase of N doping content of porous carbon; and the absorption of Ni particles to generate NiO tend to a smaller size in the material, Improve the performance of material capacitance.

【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：X505

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本文編號：1371004