利用园林植物生物质制备生物炭吸附甲基橙的研究

本文关键词：岩石力学与工程学报，由笔耕文化传播整理发布。

    湖南师范大学附属中学1304班  张俊威

    摘要：利用园林植物修剪下来的生物质制备生物炭，研究其对水溶液中甲基橙的吸附效果，结果表明：植物生物质经300℃烧制2小时后即得到具有较强吸附性能的生物炭。生物炭对水溶液中甲基橙脱除率达到84%以上，其对甲基橙的饱和吸附量约为16.23 mg/g。上述结果表明，将园林修剪生物质制成生物炭是一个很好的综合利用途径。

    关键词：园林植物，生物炭，甲基橙，吸附

    近年来，利用生物质制备生物炭的研究越来越受到重视。生物炭是生物质在控制氧气氛条件下热解后形成的具有多孔性的木炭[1, 2]，它在环境中可稳定存在上千年之久[3, 4]。生物炭由于表面含有羧基、酚羟基、羰基、醌基等官能团[5]，具有很大的比表面、孔隙率和离子交换能力，具有良好的吸附脱色能力[6, 7]，，可以作为吸附有机物和重金属的良好介质[8, 9]。富磷污泥生物炭在pH=5.0，吸附3小时，生物炭投加量20g·L-1条件下，对水中Pb(Ⅱ)的吸附量达到34.5mg·g-1[10]。在pH=4.5和5.0时稻草炭对溶液中Cu(Ⅱ)的吸附量分别为0.628mol·mg-1和0.763 mol·mg-1[11]，表明生物炭具有很好的吸附效果。随着我国城镇化程度的迅速发展，城市绿化率不断提高，园林景观植物修剪过程中产生的生物质也越来越多，如何解决这些修剪生物质的综合利用问题是一个非常有意义的课题。本文利用园林绿化植物修剪产生的生物质制备出生物炭，并初步探讨生物炭对水溶液中甲基橙的吸附效果。

    一、材料与方法

    1、供试材料

    收集园林绿化植物修剪下来的枝条生物质，先用自来水清洗，再用去离子水洗净，用不锈钢刀将这些生物质切碎成长度小于1cm的小块，于60 ℃下干燥箱中烘干。用不锈钢粉碎机将干燥后的生物质破碎并过20目筛，备用。

    2、实验设计

    ①生物炭制备试验

    用新铝盒盛装、压实切碎的生物质，放入马弗炉后控制氧气氛进行煅烧，马弗炉升温速率保持在20 ℃·min-1，当温度升至300 ℃后分别烧制2、2.5和3小时，自然冷却后取出炭化产物（生物炭），并将生物炭研磨过60目筛后装入密闭塑料袋中，备用。

    ②甲基橙吸附试验

    取40 ml浓度为6.7 mol·L-1的甲基橙溶液于锥形瓶中，依次向甲基橙废水中加入0.2、0.5、0.8、1.1和1.4 g生物炭，控制水浴摇床振荡速度150 r·min-1，水温30 ℃条件下吸附2小时，测量生物炭对水溶液中甲基橙的吸附容量。同时，在相同吸附条件下，在40 ml浓度为6.7 mol·L-1的甲基橙溶液中投加0.2g生物炭，振荡吸附10、30、60、90、120、150和180分钟后，测定水溶液中剩余甲基橙浓度，利用甲基橙浓度差值计算生物炭对废水中甲基橙的吸附速率。同时，不加生物炭处理作对照试验。

    3、测试与分析

    生物炭的表面特性采用XL30型扫描电子显微镜进行扫描；生物炭吸附前后甲基橙浓度采用UV-1801分光光度计进行测定，具体测试步骤如下：在509 nm波长下测定标准系列和样品的吸光度值，将吸光度值换算为废水中甲基橙浓度，再通过下式计算生物炭对甲基橙的脱除效果：

    式中：C0和C为模拟甲基橙废水生物炭吸附前后溶液中甲基橙浓度。

    二、结果与讨论

    1、烧制时间对生物炭对甲基橙脱除率的影响。

    300 ℃，不同烧制时间制备出的生物炭对水溶液中甲基橙脱除率的影响不明显。300 ℃下烧制2 小时制备出的生物炭对水溶液中的甲基橙脱色率达到88.9 %，优于烧制2.5小时和3小时制备出的生物炭，其脱色率依次为87.7 %和84.8 %。表明烧制2小时已经完全可以满足生物质制备生物炭的要求，并使制备出的生物炭保持较好的吸附性能。

    图1 烧制时间对生物炭脱除水溶液中甲基橙的影响

    2、生物炭对水溶液中甲基橙的吸附容量。

    从图2中可以看出，采用300 ℃下烧制2 小时制备出的生物炭吸附水溶液中甲基橙，当在40 ml浓度为6.7 mol·L-1的甲基橙水溶液中添加0.8 g生物炭时，水溶液中甲基橙的脱除率达到96.9 %，添加更多的生物炭，其对水溶液中甲基橙的脱除效率基本达到100%。上述实验结果进一步表明，生物炭的饱和吸附量约为16.23 mg/g。

    图2 生物炭添加量对水溶液中甲基橙脱除率的影响

    3、吸附时间对生物炭对甲基橙脱除率的影响。

    利用300 ℃、不同制备时间条件下制备出的生物炭吸附水溶液中甲基橙。从图3可以看出，生物炭对水溶液中甲基橙的脱除率随吸附时间延长，吸附效率不断增加。当吸附时间达到2小时，生物炭对水溶液中甲基橙的脱除率已经基本达到80%左右。从图3中可以进一步说明，生物炭的制备时间对生物炭的吸附速率和吸附效果影响不明显。

    图3生物炭脱除水溶液中甲基橙效率随时间的变化

    4、生物炭的表面特征

    对不同时间制备出的生物炭进行表面特征分析，从其电镜扫描图片中可以看出（图4），烧制2小时制备出的生物炭表面疏松多孔，有大量“薄纱”状的片状结构，而烧制2.5小时和烧制3小时制备出的生物炭已呈条柱状或碎片状，部分生物炭明显呈颗粒物棒状结构，这些表面结构特征的差异可能是导致它们吸附性能的主要原因。这也从微观结构上解释了为什么烧制2小时的生物炭对甲基橙脱色效果更好。  

    (a) 2h         (b) 2.5h          (c) 3h

    三、结论

    1、利用园林景观植物修剪下来的生物质可以用来制备生物炭。

    2、在300℃下烧制2小时得到的生物炭对水溶液中甲基橙脱除率可达到96.9%，生物炭对水溶液中甲基橙具有很好的脱除能力。

    3、在300℃下烧制2小时制备出的生物炭，其饱和吸附量约为16.23 mg/g。

    参考文献

    [1] 易卿, 胡学玉, 柯跃进, 等. 不同生物质黑炭对土壤中外源镉有效性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2013, 31(1): 88-94

    [2] 陈宁, 吴敏, 许菲, 等. 滇池底泥制备的生物炭对菲的吸附解吸[J]. 环境化学, 2011, 30(12): 2026-2036

    [3] 程国淡, 黄青, 张凯松. 热解温度和时间对生物干化污泥生物炭性质的影响[J]. 环境工程学报, 2013, 7(3): 1134-1135

    [4] 王萌萌, 周启星. 生物炭的土壤环境效应及其机制研究[J]. 环境化学, 2013, 32(5): 768-770

    [5] 邢英, 李心清, 王兵, 等. 生物炭对黄壤中氮淋溶影响: 室内土柱模拟[J]. 生态学杂质, 2011, 30(11): 2483-2488

    [6] 胡巧开. 粉煤灰对甲基橙的吸附研究[J]. 环境保护, 2011: 10-11

    [7] 蒋雨田, 姜军, 徐仁扣, 等. 不同温度下烧制的秸秆炭对可变电荷对土壤吸附Pb(Ⅱ)的影响[J]. 环境科学, 2013, 34(4): 1598-1599

    [8] 李晓泉, 尹光志. 不同性质煤的微观特性及渗透特性对比试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(3): 500-502

    [9] 刘军奇, 王本红, 吕海亮, 等. 粉煤灰沸石对甲基橙的吸附研究[J]. 山东科技大学学报, 2010, 29(2): 90-92

    [10] 丁文川, 杜勇, 曾晓岚, 等. 富磷污泥生物炭去除水中Pb(Ⅱ)的特性研究[J]. 环境化学, 2012, 31(9): 1375-1376

    [11] 佟雪娇, 李九玉, 袁金华, 等. 稻草炭对溶液中Cu(Ⅱ)的吸附作用[J]. 环境化学, 2012, 31(1): 64-65             （指导老师  黄俊）

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