玉米秸秆与甘蔗渣生物炭的制备及其对Cr6+离子的吸附性能研究

孟雅静 王晓雨 温海莲 买兆丰 吴启康 肖朝虎

摘要：以Cr6+的清除率为评价指标，研究不同时间、温度、配比条件下的生物炭吸附性能，优化玉米秸秆与甘蔗渣生物炭的制备过程。采用单因素试验和正交试验研究生物炭的吸附性能，单因素试验是研究炭化时间、炭化温度、生物炭配比对生物炭吸附性能的影响。正交试验是通过单因素试验选取比较优异的试验条件进行L9（34）的正交试验，通过分析比较得出最佳试验条件。单因素试验发现，混合生物炭对Cr6+的清除率在炭化时间1.5 h，炭化温度500 ℃，生物炭配比0.50∶0.50时达到最高；正交试验极差分析和方差分析发现，炭化时间对Cr6+的吸附性能影响比较显著，而炭化温度、生物炭配比对Cr6+的吸附性能影响不显著，最佳吸附条件为炭化时间2.0 h，炭化温度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50，在此条件下制备的混合生物炭对Cr6+的清除率可达88.74%。

关键词：玉米秸秆；甘蔗渣；六价铬离子；吸附

中图分类号：X703 文献标志码：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2018.03.001

文章编号：1671-9646（2018）03a-0001-03

Abstract：The preparation process of bio-carbon from corn stalk and bagasse was optimized by using the scavenging rate of Cr6+ as an index to study the adsorption of biochar under different conditions including time，muffle temperature and biochar ratio. The adsorption properties of biochar were studied by single factor method and orthogonal method. Single factor method studied the effect of time，temperature and proportion of biochar. By selecting single factor method，the excellent times，muffle temperature and biochar ratios were selectde，and then the orthogonal experiment of L9（34） was carried out，and the best experimental conditions were found through analysis and comparison. Single factor experiment found that the highest removal rate of Cr6+ in aqueous solution was carbonization time 1.5 h，the temperature 500 ℃，and the ratio 0.50∶0.50. The orthogonal experiment analysis and variance analysis showed that carbonization time had a significant effect on the adsorption performance of Cr6+，and the effect of muffle temperature and biochar ratio were not significant. The optimum adsorption condition was carbonization time 2.0 h，muffle temperature 450 ℃，and biochar ratio 0.50∶0.50. On this condition，the clearance rate of mied biochar for Cr6+ was 88.74%.

Key words：corn stover；bagasse；Cr6+；adsorption

我國是玉米产量第一大国，玉米秸秆包括玉米的茎秆、叶梢和芯，是玉米收获后的副产物，每年都会有大量玉米秸秆产出[1-2]。甘蔗渣是甘蔗榨出糖汁的剩余物，是一种用途广泛、获取成本低廉的生物质纤维原料。而且中国是世界上甘蔗产量第三大国，每年的甘蔗渣产量超过2 000×104 t[3]。我国的玉米秸秆除少部分作为草食动物的饲料、肥料、基料外，大约有70%作为燃料焚烧或直接翻入土壤中还田[2]。除少部分甘蔗渣作为发酵原料回收或者作为食草动物饲料之外[4]，大部分作为垃圾回收。玉米秸秆和甘蔗渣主要成分为纤维素、中纤维素、木质素与其他有机质和无机盐离子[5-6]，作为天然的炭源，开发利用玉米秸秆、甘蔗渣生物炭作为新型活性吸附材料具有广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 原料及药品

玉米秸秆、甘蔗渣、高锰酸钾，天津市北方天医化学试剂厂提供；硫酸，白银银环化学试剂厂提供；氨水，天津市百世化工有限公司提供；重铬酸钾，天津市福晨化学试剂厂提供；二苯炭酰二肼，天津市天新精细化工开发中心提供。

1.2 仪器

7J-2型电热磁力搅拌器，常州国华电器有限公司产品；JA2103N型电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司产品；SRJX-4-13型马弗炉，北京科伟永兴仪器有限公司产品；HT-1102C型摇床，上海知楚仪器有限公司产品；T6型新世纪紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集及预处理

将玉米秸秆与甘蔗渣风干除去水分，粉碎成粉末，装入密封袋中备用。

1.3.2 生物炭的制备

分别准确称量5.00 g的玉米秸秆和甘蔗渣依次放入坩埚中，然后将样品放入马弗炉中，以不同炭化温度（350，400，450，500，550 ℃）和不同炭化时间（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）制备得到不同条件下的生物炭，备用。

1.3.3 吸附性试验

配制1.0 mg/L重铬酸钾溶液，在6个锥形瓶中分别加入100 mL重铬酸钾溶液，然后再分别加入1.00 g不同条件下制备得到的混合生物炭，在30 ℃，200 r/min的条件下混合振荡9 h，过滤，根据国标法（GB 2771—1987）分别检测吸附后的混合溶液，以Cr6+的清除率为评价指标，计算公式如（1）：

式中：W——重铬酸钾溶液中Cr6+的清除率，%；

m1——吸附试验前样品中Cr6+的含量，mg；

m2——吸附试验后样品中Cr6+的含量，mg。

1.3.4 单因素试验设计

根据1.3.2与1.3.3的试验方法，研究在炭化温度、炭化时间与生物炭配比3个条件下生物炭对Cr6+的清除率。

单因素试验因素与水平设计见表1。

1.3.5 正交试验设计

为进一步优化玉米秸秆与甘蔗渣生物炭最佳制备条件，在单因素试验的基础上，以玉米秸秆和甘蔗渣的炭化时间、炭化温度、生物炭配比为影响因素，采用L9（34）进行三因素三水平正交试验。

正交试验因素与水平设计见表2。

1.3.6绘制标准曲线

以Cr6+标准质量浓度（mg/mL）为横坐标，吸光度（A）为纵坐标，根据GB 7486—1987绘制标准曲线。紫外分光光度计检测的吸光度与Cr6+含量呈线性关系，回归方程为Y=0.745X+0.001 4，回归系数R2=0.992 7，线性度较好。

Cr6+质量浓度标准曲线见图1。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

单因素试验结果见图2。

2.1.1 炭化时间对Cr6+清除率的影响

设定生物炭比例0.50∶0.50，炭化温度450 ℃，研究玉米秸秆和甘蔗渣在不同炭化时间（1.0， 1.5，2.0， 2.5，3.0 h）下制备得到的生物炭对Cr6+的清除率，结果如图2（a）所示，在1.0 h和1.5 h下的生物炭对Cr6+的清除率相近，在2.0 h时Cr6+的清除率达到最大，而炭化时间大于2.0 h后，清除率开始下降，可能是由于炭化时间过长，破坏了生物炭的结构，因此采用炭化時间为2.0 h进行后续试验。

2.1.2 炭化温度对Cr6+清除率的影响

设定生物炭比例0.50∶0.50，炭化时间2.0 h，研究玉米秸秆和甘蔗渣在不同炭化温度（350， 400，450， 500，550 ℃）下制备得到的生物炭对Cr6+的清除率，结果如图2（b）所示，随着炭化时间的增长，生物炭对Cr6+的清除率先下降后上升，在500 ℃制备的生物炭达到最大，而炭化温度大于500 ℃时，清除率开始下降，可能是由于温度太高破坏了生物炭的结构，因此采用炭化温度为500 ℃进行后续试验。

2.1.3 生物炭配比对Cr6+清除率的影响

设定炭化时间2 h，炭化温度500 ℃，研究玉米秸秆与甘蔗渣不同配比（0∶1.00，0.25∶0.75，0.50∶0.50，0.75∶0.25，1.00∶0）条件下的生物炭对Cr6+的清除率，结果如图2（c）所示，当玉米秸秆与甘蔗渣配比为0.50∶0.50时，生物炭对Cr6+的清除率最高，而配比大于0.50∶0.50时清除率开始下降，因此生物炭配比为0.50∶0.50时混合生物炭对Cr6+的吸附性能最佳。

2.2 正交试验结果

以炭化时间、炭化温度、生物炭配比为影响因素，采用L9（34）进行三因素三水平正交试验。

正交试验结果见表3，正交试验结果方差分析见表4。

经过极差分析和方差分析发现，炭化时间（A）对Cr6+的吸附影响显著，而炭化温度（B）、生物炭配比（C）对Cr6+的吸附性能影响不显著，各因素强弱顺序为A>B>C，最佳的吸附组合条件为A1B1C2，即炭化时间2.0 h，炭化温度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50时混合生物炭对Cr6+的清除率最高。

3 结论

以单因素试验和正交试验为基础，在不同炭化时间、炭化温度与生物炭配比下研究混合生物炭对Cr6+的吸附性能。单因素试验结果发现在1.0 h和1.5 h下的混合生物炭对Cr6+的清除率相近，在2.0 h时对Cr6+的清除率达到最大，时间大于2.0 h时清除率开始下降；随着炭化时间的延长，生物炭对Cr6+的清除率先下降后上升，在500 ℃制备的生物炭清除率最佳，炭化温度高于500 ℃时，清除率开始缓慢下降；生物炭对Cr6+的清除率在生物炭配比为0.50∶0.50时达到最高，配比大于0.50∶0.50时，清除率开始下降。正交试验结果发现，炭化时间对Cr6+的吸附性能影响显著，而炭化温度、生物炭配比对Cr6+的吸附性能不显著，各因素影响强弱顺序为A>B>C，生物炭的最佳制备条件为A1B1C2，即炭化时间1.5 h，炭化温度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50为最佳制备条件，此条件下制备的混合生物炭对Cr6+的清除率可达88.74%。

参考文献：

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