多种原料中xylene的异构体对生物炭的吸附行为

阅读者：时峰

【核心内容】

    为了利用生物炭去降低修复VOCs的成本。利用土柱实验装置研究稳态xylene的异构体在生物炭的吸附行为， 从元素组成、扫描电镜、比表面积、ATR-FTIR光谱和拉曼光谱等方面分析了生物炭的化学和物理性质。在研究生物炭的表面化学性质时，通过多孔结构，孔径分布表征生物炭的差异，也利用比表面积，孔隙体积以及含H、O官能团的总量分析吸附性能。不同的xylene的结构，温度等角度分析了生物炭的吸附规律，并确定了最佳的动力学模型。

    1.得到了气体浓度对生物炭吸附行为的影响，随着初始气体浓度的增加，平衡时间缩短。同时浓度越高，xylene与活性位点的相互作用越强，提高颗粒内扩散促进吸附作用。而在邻、间、对三种xylene中，对xylene缩短更快，归因于对xylene的动力学直径较小，能够更快的扩散，平衡速度越快。

    2.生物炭原料对气体吸附行为的影响。发现将生物碳作为封盖系统材料对于抑制原油污染的VOCs的气相迁移效果非常好。一些生物炭的吸附能力（主要与p电位的吸附作用）会受到表面的O官能团的抑制作用；除此之外，中孔和大孔的体积会很大程度上影响生物炭吸附能力。孔隙过大，xylene直接穿过孔隙，过小不会穿过孔隙。

    3.热解温度对生物炭吸附行为的影响。随着热解温度的升高，xylene在两种生物炭上的吸附量都增加。高温会使生物炭热解，通过考虑含碳材料上VOC吸附的双重吸附分配机制，可能使含碳量增加，另外还可能是孔隙体积或比表面积发生变化。

    4.生物炭SSA和表面化学对吸附容量的影响，多孔结构会对生物炭的吸附影响很大，除此之外就是生物炭表面的含H和O官能团总量，会随着SSA和PV增加而总量得到增加。xylene与生物炭的相互作用：1.生物炭的表面官能团（羰基和羧基），可通过氢键与xylene甲基（由于极性较高，主要是对xylene）的氢原子反应2.xylene的苯环（由于相对非极性，主要是间xylene和邻xylene），可通过π-π共轭与生物炭表面的芳香化合物（木质素）产生强疏水键3.静电吸引和4.非碳化物质中的分配。

    5.xylene性质和结构对生物炭吸附能力的影响。xylene性质的影响，由于xylene的结构不同（动力学直径），会阻碍进入孔隙中，对xylene与邻xylene和间xylene相比，结构简单，动力学直径小，所以比较容易被吸附进入孔隙。

    6.环境温度对吸附的影响。温度升高会降低吸附能力，研究中吸附作用受到物理吸附和分配作用的综合作用，在低温下物理吸附十分敏感，而分配作用影响十分小。

    7. 利用PFOM、PSOM、ELM、IPDM模型对吸附动力学进行了拟合。π-π共轭和氢键是xylene异构体和生物炭的主要相互作用。

【个人感受】
   这项研究表明，生物炭具有广泛的潜力，可以用作工程屏障和遏制系统，以应对VOC污染土地的挑战。基于生物炭的封盖系统有可能在对原油污染土地进行长期修复之前，为石油污染场地的VOC排放提供一种高效、经济的遏制解决方案。

【参考文献】

RAJABI H, MOSLEH M H, MANDAL P, et al. Sorption behaviour of xylene isomers on biochar from a range of feedstock [J]. Chemosphere, 2021, 268: 129310.