水稻秸秆生物炭对水中Cd2 的吸附性能.pdf

该【水稻秸秆生物炭对水中Cd2 的吸附性能 】是由【巧姐】上传分享，文档一共【6】页，该文档可以免费在线阅读，需要了解更多关于【水稻秸秆生物炭对水中Cd2 的吸附性能 】的内容，可以使用淘豆网的站内搜索功能，选择自己适合的文档，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此文档到您的设备，方便您编辑和打印。第卷第期北华大学学报自然科学版
225()
年月
20219JOURNALOFBEIHUAUNIVERSITY(NaturalScience)
文章编号:DOI
1009-4822(2021)05-0695-06:.1009-
水稻秸秆生物炭对水中Cd2+的吸附性能
,
杨康1,许艳红1,刘佳梁12,梁薇3

北华大学林学院吉林吉林吉林农业科技学院培训中心吉林吉林
(1., 132013;2., 132101;
吉林市环境卫生科学研究所吉林吉林
3., 132012)
摘要:以水稻秸秆为材料在不同温度下缺氧焙烧制备生物炭进行分析和比表面积测定利用生物炭对
,.FT-IR;
模拟镉污染废水进行吸附试验结果显示制备的生物炭含有较多的含氧官能团且比表面积较大焙烧温度越
.:,;
高时间越长制备的生物炭吸附性能越强但产率较低综合分析可知下焙烧制备生物炭经济合算
、,,.,600℃1h,
吸附效果良好比表面积可达2对废水中2+的去除率接近
,,Cd90%.
关键词:生物炭2+水稻秸秆
;Cd;
中图分类号:文献标志码:
TQ424;X712A
AdsorptionPropertiesofRiceStrawBiocharforCd2+inWater
111,23
,yXCUolleYgeaonfhBoeinhgua,ULniIvUersiJtyiaJlilainng,LICAhiNnaGWei
(1,132013,;
.TrainingCenterofJilinAgricultureScienceandTechnologyCollegeJilinChina
2,132101,;
.JilinCityEnvironmentalSanitationScienceInstituteJilinChina
3,132012,)
Abstract
:-IRanalysisand
specificsurfaceareameasurementshowedthatbiocharhadmoreoxygen-containingfunctionalgroupsandlarger

temperatureandthelongerthecalcinationtime,
thepreparationofbiocharcalcinedat600℃for1hiseconomical,andtheadsorptioneffectwasgood,thespecific
22+
,andtheremovalrateofCdinwastewaterwasnearly90%.
Keywords2+
:biochar;Cd;ricestraw
近年来在没有得到及时有效处理前数量巨大的重金属污染物就直接排入水体导致水环境污染问
,,,
题愈发严重[1]镉是重金属的一种由食物链进入人体干涉免疫球蛋白制造[2]严重危害人体健康含镉
.,,,.
废水来源于印刷化工冶炼电镀采矿等产业[3]以往治理含镉水污染的方法虽能在一定程度上去除
、、、、,,
镉[4]但成本高可能造成二次污染同时大量化学污泥的后续处置也是非常棘手的问题[5]比较而言
,,,,;,
吸附法更容易进行后续处置且去除效果显著吸附法的核心是吸附剂作为吸附剂的一种生物炭富含有
,.,,
机碳且构造疏松多孔[6]同时生物炭易制备且成本低具有较强的吸附性能本次研究以水稻秸秆为原
;,,.
料在种热解温度下缺氧焙烧制备生物炭通过比表面积和红外光谱图分析制备的生物炭理化性
,
质通过吸附试验研究不同投加量和2+初始浓度下生物炭的吸附性能以期为生物炭在水体镉污
;,、pHCd,
染治理中的应用提供参考
.
收稿日期:
2021-03-31
基金项目:吉林省教育厅科学技术研究项目北华大学大学生创新创业训练计划项目
(JJKH20180346KJ);(201811923043,
202110201062).
作者简介:杨康男硕士研究生主要从事农艺与种业研究通信作者许艳红女
万方数据 (1996—),,,,E-mail:******@;:(1969—),,
博士研究生讲师主要从事环境工程环境友好型材料研究
,,、,E-mail:******@.
北华大学学报自然科学版第卷
696()22
1 材料与方法
主要试验仪器有美国公司发射光谱仪比表面积及孔径分
LEEMANLABSICP(Profile)、V-Sorb2800
析仪傅里叶变换红外光谱仪制粒机马弗炉型恒温干燥箱
、FT-IR、SDPM250、STM-3-12、101-2、ZQPW-70
全温振荡培养箱型电子天平试剂包括硫酸镉镉标准样品
、FA2004A;(3CdSO4·8H2O)、(1000mg/L(GSBG
超纯水
62040-90(4810))、HCl、NaOH、.
生物炭制备
用于制备生物炭的水稻秸秆取自吉林市丰满区农田剪去叶根后风干至恒重用粉碎机将水稻秸秆
,、.
切成长的稻草节装入制粒机压制成颗粒后储存备用
,.
生物炭烧制步骤称取压制后的水稻秸秆颗粒置于铝罐内在马弗炉中缺氧焙烧分别在
:,,300、400、
下炭化降至室温后取出储存于塑封袋中
500、600℃1~3h,,.
吸附试验
试验设置不同的离子浓度生物炭投加种类和投加量将盛有混合物的锥形瓶置于全温
、pH、.250mL
振荡培养箱中下振荡后抽滤
,25℃、100r/min15min.
不同温度下制备的生物炭吸附性能

在锥形瓶中配制2+溶液分别投加在下炭化的生
250mL10mg/LCd100mL,300、400、500、600℃3h
物炭投加量为设置平行对照组计算去除率并取平均值
,1g/L.,.
生物炭投加量对吸附效果的影响

在锥形瓶中配制2+溶液加入生物炭投加量分别为
250mL10mg/LCd100mL,,、、、、
设置平行对照组计算吸附量去除率取平均值对生物炭投加量和吸附量进行非线性曲线
.,、,,
拟合
.
初始对吸附效果的影响
pH
通过的和的溶液调控溶液初始为在锥形瓶
/LNaOHpH3、4、5、6、7、8、9,
中配制2+溶液加入制得的最优生物炭投加量为设置平行对照组计算去除率
10mg/LCd100mL,,1g/L.,
并取平均值
.
2+质量浓度对吸附效果的影响
Cd
分别配制的2+溶液于锥形瓶中加入制得的最优生物炭投加量为
5、10、15、20mg/LCd100mL250mL,,
设置平行对照组计算吸附量去除率取平均值对初始2+质量浓度和吸附量进行非线性曲线
1g/L.,、,,Cd
拟合
.
分析方法
生物炭产率

生物炭产率
m-m
ζ=01×%
m100,
0
式中ζ为产率%m为焙烧前水稻秸秆的质量m为焙烧后的生物炭质量.
:,;0,g;1,g
生物炭表征

比表面积测定采用比表面积及孔径分析仪通过法分别测定所制得生物炭的比
1).V-Sorb2800,BET
表面积并进行比较分析
,.
官能团分析将经干燥后的样品与光谱纯按质量比共同研磨混合均匀后进行压片处
2).KBr1∶100,
理通过傅立叶红外光谱仪对照分析不同条件下制备的生物炭红外光谱分辨率为扫描
,(FT-IR),4,16
次扫描范围为-1
,500~4000cm.
2+质量浓度测定
Cd
采用发射光谱仪测定2+含量配制2+质量浓度分别为的标准溶
ICP(Profile)、10、15、20mg/L
液以超纯水为空白溶液每组测定两次制得2+标准曲线测定试样取试样与对照组测得质量浓度的
,,,Cd,,
平均值作为试样质量浓度生物炭吸附量Q和2+去除率η计算公式
.Cd:
Vc-c
万方数据Q=(01)
m,
第期杨康等水稻秸秆生物炭对水中2+的吸附性能
5 ,:Cd697
c-c
η=01×%
c100,
0
式中c为吸附前溶液中2+的质量浓度c为吸附后溶液中2+的质量浓度V为锥形瓶中
:0Cd,mg/L;1Cd,mg/L;
溶液的体积m为生物炭的投加量.
,L;,g
数据处理

本次试验选用处理数据
Origin2018.
2 结果与分析
生物炭产率
产率是制备生物炭的一个主要指标为探讨制备温
.
度对产率的影响在不同温度下缺氧焙烧不同温度下炭
,.
化的生物炭产率见图由图可知温度升高生物
:
炭产率下降在下生物炭的产率最高为
.300℃,,%;
在下生物炭产率大幅度降低分别为
400、500℃,,%
和在下产率为由此说明在本次
%;600℃%.,
试验条件下随着温度升高热解变得愈来愈难
,,.
生物炭表征
通过得到的比表面积和红外光谱分析自制生图1不同温度炭化3h的生物炭产率

物炭的性能
.temperaturesfor3h
生物炭比表面积

通过法测定生物炭比表面积见图由图可知在和下制得的生物炭比表面积仅为
BET,:300400℃
和2焙烧温度为时生物炭比表面积可增大到2比表面积为2
;500℃,;600℃,
至比表面积增速迟缓由此可见和是制备生物炭的适合温度故在和下改变
500600℃.,500600℃,500600℃
焙烧时间进行对比试验结果见图
,3.
由图可见在下焙烧生物炭比表面积由时的2大幅上升至2逐渐接
3:500℃,/g,
近下焙烧的2由此说明在下焙烧内生物炭热解程度与焙烧时间关系密
600℃.,500℃3h,
切在下焙烧生物炭的比表面积为2同焙烧的和2差别不大
;600℃,2、.
在未改变其他条件的情况下焙烧已基本完成热解延长焙烧时间并不会对热解程度产生较大影响
,1h,,.
生物炭在下焙烧的比表面积接近于下焙烧的比表面积因此下焙烧制备
500℃3h600℃1h,,600℃1h
生物炭更加经济后续吸附试验均采用在下焙烧制备的生物炭作为吸附剂
.600℃1h.
图2不同温度下炭化3h的生物炭比表面积图3500、600℃炭化不同时间生物炭比表面积

differenttemperaturesfor3hat500℃,600℃fordifferenttimes
生物炭红外光谱分析

将制得的生物炭在干燥后进行分析结果见图由生物炭的红外光谱图可见多种
105℃3hFT-IR,4.
官能团峰其中-1附近出峰明显根据峰的位置和强度结合已
,,1100、1596、2800~3300、3300~3600cm.,
有文献可知-1附近对应的官能团是纤维素或半纤维素的[7]-1处对应的官能
万方数据,1100cmC—O—C,1596cm
团为多环芳烃的和[8]-1对应饱和的-1处官能团为
∥Ⅻ零\CCCO,2800~3300cmC—H,3300~3600cm
北华大学学报自然科学版第卷
698()22
羟基[9]其中-1处多环芳烃的和-1的在下
—OH.,1596cmCCCO、2800~3000cmC—H300、400℃
制备的生物炭中含量较为丰富在下制备的生物炭中明显减小在下制备的生物炭中甚
,500、600℃,500℃
至接近全部消失说明随着焙烧温度的升高水稻秸秆中的原有成分和结构逐渐被分解这些官能团受到
,,,
热解影响导致数量大幅减少[10]此外由于含氧官能团和在化学性质上能与重金属离子产
.,—OHCO
生反应[11]因此推测该官能团的含量可能影响生物炭对镉的吸附效果
,.
图4不同温度下制备的生物炭FT-IR图谱
-IRspectraofbiocharpreparedatdifferenttemperatures
对下焙烧不同时间的生物炭进行分析结果见图由图可知在焙烧的生物炭谱
600℃FT-IR,:1h
线上可以看出除外焙烧制备的生物炭谱图均有明显出峰随着焙烧时间的延长峰的强度
,C—H,2、3h,,
并未发生明显改变谱线几乎重合由此说明在的热解程度可能已经达到上限官能团数目受此时
,.,600℃,
焙烧时间影响不大
.
图5600℃不同焙烧时间制备的生物炭FT-IR图谱
-IRspectraofbiocharpreparedat600℃fordifferentcalcinationtimes
生物炭的吸附性能
不同温度下制备的生物炭吸附性能见图由图可知不同温度下制备的生物炭对2+均有良好的
:Cd
吸附效果在其他条件相同的情况下随着焙烧温度升高镉的去除率有不同程度升高的去除率为
.,,.600℃
相较于的有大幅度提升2+比表面积由时的2提升至时
%300℃%;CdBET400℃℃
的2对应了去除率的大幅度升高由此表明生物炭的吸附效果与比表面积在一定
,400、500℃.,
条件下呈正相关另外结合结果可知在和时生物炭中的数目明显减少虽然
.,FT-IR,500600℃,CO,
这样的含氧官能团在其吸附重金属离子2+中起到了重要作用[12]但它们对镉的去除率相对较高故推
万方数据Cd,,
测它们对2+的吸附效果可能主要取决于生物炭孔隙结构的吸附作用
Cd.
~~~—~~.,。啤О赢’癷~。~。驹ǎ琁二圳舢肿一一璲酬。眇堋;卜山一\二。;\一。⋯√以~~■—一“、、肚。‘。“’保弧āⅰ~—~、~、、、葺:÷、。
第期杨康等水稻秸秆生物炭对水中2+的吸附性能
5 ,:Cd699
生物炭投加量对吸附Cd2+的影响
不同生物炭量投加量对吸附性能的影响见图由图可知在其他条件相同的情况下当生物炭的质量
:,
浓度由上升至时去除率由升到其中生物炭质量浓度由上升至
/L,%%.,
时去除率明显提高而在以后去除率有小幅度增加说明此时吸附位点过多且不能与
,,,
2+进行有效结合继续添加生物炭对去除率增效较小同时伴随着投加量的增大吸附量由大
Cd,.,,
幅下降到随后由降至下降幅度逐渐减小此时吸附效率越来越低增大生物炭
,/g,,,.
-09308其
.,=77782,

,=098998,.
图6不同温度下的生物炭吸附性能图7不同生物炭量投加量对吸附性能的影响

temperaturesadsorptionperformance
初始pH对生物炭吸附Cd2+的影响
不同初始下的2+去除率见图由图可知在初始为时2+去除率最低为初
:pH3,Cd,%;
始升高至时去除率大幅提高至当升至时去除率小幅度降低至生物炭在酸
pH6,%;pH9,%.
性条件下吸附效果较差是受生物炭表面官能团的影响由于生物炭表面含有较多碱性官能团因而在酸
,.,
性环境下将影响对镉的吸附能力[13]并且在溶液中+浓度较高时推测等可以与2+反
,.,H,—OH、COCd
应的官能团均会受到+的竞争作用导致吸附位点减少不利于生物炭对2+的吸附
H,,Cd.
Cd2+初始质量浓度对吸附Cd2+的影响
不同2+初始质量浓度下生物炭的吸附性能图由图可知在2+质量浓度由上升至
:Cd5mg/L
过程中去除率由小幅下降至但吸附量增大了说明此时的生物炭仍有
10mg/L,%%,,
较多未结合的吸附位点随着2+初始质量浓度的增大去除率大幅下降至吸附量为
.Cd,%,,
有小幅提高由此可以推测当2+初始质量浓度在附近时2+结合的吸附位点已大部分处于
.,Cd10mg/L,Cd
占用状态生物炭的孔隙接近填满因而随着后续初始质量浓度的提高去除率明显下降对2+初始质量
,,,x,
浓度和去除率进行拟合得到非线性曲线拟合方程y-/-/
,:=--+,
中R2说明2+初始质量浓度和吸附量间存在对应关系
,=,Cd.
图8不同初始pH下的Cd2+去除率图9不同Cd2+初始质量浓度下生物炭的吸附性能
+
万方数据differentmassconcentrationsCd2+
一一童恒帐羞誉\,
北华大学学报自然科学版第卷
700()22
3 结 论
通过对制取的生物炭进行表征分析结果发现下焙烧的生物炭已基本完成
1)BET、FT-IR,:600℃1h
热解比表面积达2综合考虑在该条件下制备生物炭更经济
,,,.
自制水稻秸秆生物炭中含有丰富的官能团等含氧官能团对2+的吸附有着重要作
2),—OH、COCd
用其中和在下数目较少此时的吸附效果主要取决于生物炭自身的比
.,C—H、COCC600℃,BET
表面积
.
生物炭投加量在时可以获得较好的吸附效果大于吸附位点不能同2+进行有
3),,Cd
效结合去除率仅有小幅提升此时继续增加生物炭投加量并不合算
,,.
在中性环境下生物炭对2+表现出良好的吸附效果在酸性环境下由于存在大量++可以
4),Cd;,H,H
和反应同重金属离子竞争占用重金属的结合位点导致去除率降低为时仅为当溶液为
—OH,,,%;
碱性时去除率略有下降推测可能是生物炭中的与-发生了中和反应减少了吸附位点数量
,,—COOHOH,.
在2+初始质量浓度为时投加的生物炭能够提供的吸附位点略少于所需位点但去除率
5)Cd10mg/L,,
也可达到拟合方程表明了2+初始质量浓度和吸附量间具有对应关系
%,Cd.
本研究初步优化了以水稻秸秆为原料制备生物炭的工艺条件并由其成分与结构探究了生物炭的吸
,
附机理通过对模拟含镉废水的吸附试验进一步研究了生物炭的吸附性能可为生物炭作为吸附剂在含
,,,
有重金属废水处理中的应用提供支撑研究中所用生物炭易松散部分炭用于处理水后因颗粒较小不易
.,,
分离因此在未来的研究中将寻找负载材料或进行改性处理避免二次污染
,,,.
致谢:本文是北华大学国家级大学生创新创业训练计划项目(,)研究成果
201811923043202110201062
的一部分,林学院环境科学专业级马鹏远和高靖勋同学做出了突出贡献,级孙多同学和
201920172018
级鞠星辰同学参与了本研究
.
参考文献:
汤施展生物质炭和木醋液对畜禽养殖废水中重金属的钝化效果分析哈尔滨东北农业大学
[1].[D].:,2018.
喻涌泉黄魏魏董建江等硝基还原假单胞菌吸附重金属镉的机理研究中国环境科学
[2],,,.[J].,2017,37(6):2232-2238.
李思彤舒芳芳王楠等血粉对废水中2+的高效去除效应环境工程学报
[3],,,.Cd[J].,2017,11(9):5001-5006.
[4]CHENJ,ZHENGM,PANGD,
winterwheat[J].JournalofIntegrativeGriculture,2017,16(8):1708-1719.
[5]SURENDRSS,AWASTHISK,AWASTHIMK,
solidwaste[J].BioresourceTechnology,2018,5:250.
刘宁生物炭的理化性质及其在农业中应用的基础研究沈阳沈阳农业大学
[6].[D].:,2014.
[7]KEILUWEITM,NICOPS,JOHNSONMG,-derivedblackcarbon
(biochar)[J].EnvironmentalScience&Technology,2010,44(4):1247-1253.
[8]CAOXD,MALN,GAOB,-manurederivedbiochareffectivelysorbsleadandatrazine[J].EnvironmentalScience&
Technology,2009,43(9):3285-3291.
[9]CHUNY,SHENGGY,CHIOUCT,-derivedchars[J].
EnvironmentalScience&Technology,2004,38(17):4649-4655.
陈宝梁周丹丹朱利中等生物碳质吸附剂对水中有机污染物的吸附作用及机理中国科学辑化学
[10],,,.[J].B:,2008,
38(6):530-537.
[11]TORRIC,[J].
BioresourceTechnology,2014,172:335-341.
[12]SONEB,POOKM,ChANGJS,
fromwastemarinemacro-algalbiomass[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2018,615:161-168.
姚顺宇赵平南王珅等两种生物质炭对水中2+吸附效果的研究化学与粘合
[13],,,.Cd[J].,2020,42(4):253-256.
【责任编辑:郭伟】

万方数据