芦苇因其分布广泛、来源丰富且内部结构疏松多孔,纤维素、半纤维素和木质素含量较高且含有丰富的羟基、羧基、碳酰基等活性基团等优点,是制备生物炭的优良前驱体材料,可替代部分传统原料。因此,将生态修复废弃物芦苇制成吸附剂,用于环境治理,既能减少固废的产生,又能达到对水体水质净化和资源再利用的双重效果,是提高其资源化利用价值、实现节约能源的一个优化选择。本论文以常用水生态修复挺水植物芦苇为原料,氨水为活化剂,运用Box-Behnken响应面设计方法,得出用氨水活化法制备芦苇秸秆生物质炭的最佳活化工艺,并对其性质进行表征分析,研究其对PAHs的吸附性能,同时种植沉水植物对底泥中多环芳烃进行固定修复效果研究,以期为废弃物综合循环利用以及底泥PAHs的固定找到合适的路径。本研究主要包括三部分内容:1.氨水法制备芦苇基生物炭的活化工艺优化;2.芦苇基生物炭分析结构表征分析及吸附性能研究;3.沉水植物与生物炭联合对污染底泥中PAHs的固定效果分析。(1)本文以典型生态修复挺水植物-芦苇作为研究对象,采用氨水活化法进行芦苇基生物炭制备工艺参数优化。在单因素实验结果基础上,运用Box-Benhnken中心组合设计实验对参数进行进一步的优化,以BET Lk表面积和碘吸附值作为响应值。响应面分析表明,三个因素均对生物质活性炭的比表面积产生影响,其显著性影响大小为:热解温度>氨水质量分数>浸渍比。氨水活化法制备芦苇基生物炭的最佳工艺参数为:热解温度620℃、氨水质量分数8%和浸渍比为1:5,该工艺条件下制备的生物炭比表面积和碘吸附值分别为334.49 m2/g、585.52 mg/g与模型预测理论值(335.2 m2/g、582.288 mg/g)基本相符,表明响应面模型与实际情况拟合良好,验证了模型的有效可行性。(2)选取上述最佳工艺参数进行改性制得G-620生物炭材料,通过扫描电镜(SEM)、BET 比表面积、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、CNHS元素分析、热重分析等表征方法进行生物炭材料的表面、孔隙等物理化学特征分析。结果表明改性后的芦苇基生物炭表面形成较多排列规则的孔隙结构和微孔,生物质炭孔道变得更加平滑,孔隙增多且更加明显,孔结构更为发达,纤维微晶度增高。而未改性的W-620生物质炭表面粗糙不平,呈长条状,表面出现大量坑道,孔径较大,孔数量相对较少。未改性的芦苇基生物炭比表面积仅有45.21m2/g,且微孔所占比例较小为27.41%,主要为中孔和大孔。而改性后的G-620生物质炭总比表面积为341.67m2/g,约为未改性生物质炭比表面积的7.6倍,改性后平均孔径为1.427nm,主要为中孔和微孔,且改性后的G-620微孔比表面积和微孔体积占比分别达到80%和69.06%。FTIR结果显改性前后生物炭材料均含有烷基、羟基、羧基、羰基、酯基以及芳香基团,但改性后的G-620材料在甲基(—CH3)和亚甲基(—CH2)的消失,表明生物碳的芳香化程度增强,疏水性增强。元素分析测得改性前后芦苇基生物炭的表面酸性含氧基团减少,氮元素含量增高,活性炭碱性增强,极性降低。(3)研究氨水活化芦苇基生物炭的吸附性能,结果显示生物炭材料对多环芳烃的吸附效果受吸附时间、初始浓度、生物质炭投加量和溶液pH的影响。当吸附处理多环芳烃溶液时,吸附平衡后溶液中PAHs去除率随投加量的增加而上升,当m=0.1g时,EPAHs去除率达57.97%,随后,投加量的增加对EPAHs去除率效果不显著,因此后期试验选择投加量为O.1g;溶液初始pH对芦苇基生物炭吸附PAHs的试验结果表明,单位吸附量随pH的升高而减小,当pH为6-8时,对吸附量的影响较小,考虑到沉水植物水体pH,后续试验不考虑pH对改性芦苇基生物炭吸附PAHs的影响。在G-620生物炭材料吸附多环芳烃的吸附动力学中采用准一级动力学方程和准二级动力学方程表征;在探究温度对生物炭材料吸附的机理过程中,其吸附容量用Freundlich等温方程和Langmuir等温方程进行表征。吸附动力学和批量等温吸附试验研究表明,G-620生物炭材料对多环芳烃的等温吸附过程,在Langmuir等温吸附方程拟合效果最佳,因此更符合Langmuir等温线,说明该吸附过程属于单分子层吸附,且其吸附动力学符合准二级吸附动力学模型,即其吸附过程是一个主要由化学作用主导控制的过程。(4)在污染底泥处理实验中设计4个实验组,分别为:A、仅污染底泥的空白对照组;B、污染底泥+生物质炭组;C、污染底泥+苦草组;D、污染底泥+生物质炭+苦草组;每组设3个平行。对底泥PAHs的吸附特征表现为优先吸附高环PAHs,尤其是对苯并(e)芘(BeP)最好,其次对苯并(j)荧蒽(BjFA)、苯并(a)蒽(BaA)、芘(Pyr)等的吸附效果也较好。实验结果显示,苦草对底泥中∑PAHs具有较好的富集作用,且植物中富集的高环PAHs大于低环PAHs。炭组较空白对照组中2-3环PAHs含量显著降低且显著低于对照组,且炭+草组较其他实验组∑PAHs降低,添加生物炭的实验组较空白对照组和草组水体多环芳烃总量较小,表明生物炭对底泥中多环芳烃的释放有较好的控制释放作用。总的来看,苦草对底泥中PAHs具有良好的富集性和处理效果,生物炭的添加能较好地吸附固定底泥PAHs并对植物吸收富集底泥中低环PAHs有明显抑制作用,有效阻隔植物的吸收富集。