麦秸生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附性能研究①

程云环，滕井通，王岩玲，李玉飞

(1 淮北师范大学化学与材料科学学院，安徽 淮北235000;2 淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北235000)

0 引 言

生物质炭(Biochar)是限氧条件下经热裂解或不完全燃烧产生的富碳固体［1］，具有大量微小孔隙以及高比表面积，还具有大量的表面负电荷以及高的电荷密度，这使其同活性炭具有相类似的性质，对水、气中的一些有机污染物和重金属离子具有良好的吸附固定作用［2］.近年来，利用废弃物、污泥等制取生物质炭，用于环境污染物处理已经成为环境领域的研究热点［3］，因制取成本较低，且可以实现废物资源化利用，被认为是取代活性炭的良好替代品［4］.

我国是一个农业大国，每年农作物秸秆总量超过7 亿吨，利用率低，大部分都被焚烧在了田里，造成资源浪费的同时也对环境造成了一定的污染［5］.迄今为止，如何将秸秆资源化利用并降低环境压力仍然是困扰我国政府和科研工作者的一个难题.因此，用麦秸制取生物质炭原料充足，变废为宝，研究也显，示麦秸生物状炭用于有机［6］及无机污染物［7］的处理具有一定的潜力.

论文以小麦秸秆为原料制备生物质炭，对活性艳红KD－8B 模拟的废水进行吸附研究，寻找最佳的吸附条件，研究吸附性能，为麦秸生物质炭用于污水处理提供借鉴.

1 实验材料和方法

1.1 仪器、试剂及实验材料

仪器:TU－1901 型双光束紫外－可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)，pH－3C型精密酸度计(上海雷磁仪器厂)，六联合磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限公司)，马弗炉(北京太光节能技术有限公司)，电热恒温鼓风干燥箱(上海森信实验仪器有限公司).

试剂:活性艳红KD－8B(工业纯)，NaOH，HCl等试剂均为国产分析纯.

模拟染料废水:精确称量活性艳红KD－8B 1.00g，用蒸馏水溶解，定容至1 L，实验时用蒸馏水稀释至适当浓度，即为模拟废水.若无特别说明，实验使用活性艳红KD－8B 的质量浓度均为50 mg/L.

1.2 秸秆生物质炭的制备方法

麦秸取自淮北市附近农田，将小麦秸秆用自来水洗净，105℃烘干，用剪刀粉碎(约2cm)，称取一定量的经预处理过的小麦秸秆，放入带盖瓷坩埚里，置于马弗炉中，在一定温度下炭化45min，取出冷却后研磨，即得到秸秆生物质炭.

1.3 最大吸收波长的选择

用紫外－可见分光光度计扫描活性艳红KD－8B 溶液，绘制吸收曲线，找到最大吸收波长为484nm，并在此波长下，用紫外－可见分光光度计进行样品测定分析.

1.4 吸附率的测定方法

取100.00mL 一定浓度的活性艳红溶液于250mL 烧杯中，调节溶液pH 值，加入一定量的麦秸生物质炭，置于磁力搅拌器上，以150r/min 搅拌一定时间后，用布氏漏斗抽滤，取上清液测定吸附后的溶液的吸光度.

根据下列公式计算秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附率.

η 为生物质炭对活性艳红的吸附率;A0为活性艳红的初始吸光度;A1为吸附后活性艳红的吸光度.

图1 炭化温度对吸附率的影响

2 结果与讨论

2.1 炭化温度对吸附率的影响

取100.00mL 浓度为50.0 mg/L 的模拟染料废水于250mL 烧杯中，分别加入0.40 g 在不同温度下制得的秸秆生物质炭，于278K 150r/min 的磁力搅拌器上搅拌30min，静止后抽滤，测定滤液的吸光度.秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附率随炭化温度变化情况见图1.从图1 中可以看出，随着炭化温度的升高，秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附率逐渐升高，从7.00%升至35.54%.较低温度(300℃，400℃)炭化得到的生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附能力较弱，吸附率增加幅度较小，由7.00%增至8.66%;而麦秸炭化温度提高时(500℃，600℃)，获取的生物质炭的吸附能力显著提高，吸附率由8.66%升高至35.54%.可能原因是随着炭化温度的升高，秸秆炭化率随之增加，吸附能力提高;而且，随着炭化温度的升高，秸秆生物质炭内部空隙增大增多，有利于对有机大分子的嵌合吸附，即生物质炭对活性艳红KD－8B的吸附位点增多;与此同时，高炭化率使生物质炭表面电荷密度增大，加强了与活性艳红分子间的静电引力作用，使吸附作用增强.

图2 pH 对吸附率的影响

图3 溶液初始浓度对吸附率的影响

2.2 溶液pH 对吸附率的影响

取100.00 mL 初始浓度为50.0 mg/L 初始pH 不同的模拟染料废水于250 mL 烧杯中加入0.40 g 秸秆生物质炭于278K 150r/min 的磁力搅拌器上搅拌30min，静止后抽滤，测定滤液的吸光度.秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的脱色率随溶液初始pH 变化情况见图2.从图中可以看出，pH对吸附率的影响较大，随着溶液初始pH 值的增大，秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附性整体上呈现下降趋势，由70.16%降至25.70%.当溶液初始pH=2.0 时，对活性艳红KD－8B 的吸附率最大，为70.16%;当pH=10.0 时，吸附率出现一个暂时的上升之后继续下降.这是由于，活性艳红作为一种阴离子染料，酸性介质中解离为阴离子，使其与秸秆生物质炭所带吸电基团之间的静电引力加强，故酸性溶液下有较高吸附率.在pH=10.0 附近出现一个暂时的升高，是因为活性艳红水溶液显酸性溶液pH 在5.0 附近，当用NaOH 溶液调节溶液pH 在10.0 附近时，出现等电点效应，故吸附率稍微增加.

2.3 溶液初始浓度对吸附率的影响

配制浓度分别为10.0 mg/L，20.0mg/L，30.0mg/L，40.0 mg/L，50.0 mg/L，60.0 mg/L 的模拟染料废水100.00 mL 于250 mL 的烧杯中，各加入0.40 g 秸秆生物质炭，调节溶液pH，于278 K，150 r/min 的磁力搅拌器上搅拌30 min，静止后抽滤，测定滤液的吸光度.秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的脱色率随溶液初始浓度变化情况见图3.结果显示，当溶液初始浓度较低时，秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 具有较高的吸附率，最高可达到83.33%，而随着溶液初始浓度的升高，吸附率由最初的83.33%降低到了36.77%，溶液初始浓度高于50 mg/L 时，吸附率明显下降，这是因为当小麦生物质炭量一定时，由它所提供的吸附位点是一定的，在较高的浓度下，一方面，溶液中含有大量的活性艳红分子增大了与吸附位点的碰撞几率，但也同时增大了分子之间的排斥作用，不利于其与吸附位点的结合.

2.4 生物质炭加入量对脱色率的影响

取100.00 mL 初始浓度为50.0 mg/L 的模拟染料废水于250 mL 烧杯中，调节溶液pH=2.0，分别加入0.10g，0.20g，0.30g，0.40g，0.50g，0.60g，0.70g，0.80g，0.90，g，1.00 g 秸秆生物质炭，于278K 150r/min 的磁力搅拌器上搅拌30min，静止后抽滤，测定滤液的吸光度.秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的脱色率随吸附剂量变化情况见图4.图4 显示，随着小麦生物质炭加入量的增大，对活性艳红KD－8B 的吸附率由23.1%上升到97.35%，生物质炭的加入量在0.10 ～0.70g 之间时，吸附率增加迅速，从23.10%升高到91.10%;当生物质炭的加入量达到0.70g 以后，吸附率的增加趋势变得比较平缓，从91.10%升至97.35%.这是因为随着生物质炭加入量的增大，使吸附剂表面积增加，吸附官能团增加，提供了更多的吸附位点，因而吸附率增大.而当加入量达到0.70g 以后，溶液中绝大部分活性艳红KD－8B 都已经被吸附，所以吸附率增加的程度趋于平缓.

图4 生物质炭加入量对吸附率的影响

2.5 吸附时间对率的影响

取100.00 mL 初始浓度为50.0 mg/L 的模拟染料废水于250mL 烧杯中，调节溶液pH=2.0，加入秸秆生物质炭0.4 g，于278K 150r/min 的磁力搅拌器上分别搅拌5min，10min，30min，1h，4h，静止后抽滤，测定滤液的吸光度.秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附率随吸附时间变化情况见图5.由图5 可知，秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附过程是一个快速吸附过程，在短时间内即可将溶液中大部分活性艳红KD－8B 分子吸附固定.吸附5min 后其吸附率便可达到77.04%，吸附30min 时吸附率达到90.8%，之后，随着吸附时间的增加，吸附率增加缓慢，4h 后吸附率可以达到91.60%.

图5 吸附时间对吸附率的影响

3 麦秸生物质炭吸附机理的探讨

在水溶液吸附中，生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附受众多因素的影响，是一个复杂的过程.吸附剂的物理性质(如:孔径结构、比表面积、表面官能团的种类和数量)、吸附质的性质(如:吸附质的浓度、pKa、溶液中的存在形态、酸碱性以及所含有的官能团)以及溶液性质(如:pH、温度，溶液极性等)都会吸附过程产生影响，这些因素共同影响着对活性艳红KD－8B 的吸附效果［5］.活性炭的表面具有多种含氧官能团，具有(如羰基)吸电子作用，活性艳红KD－8B 作为为酸性阴离子染料，在水溶液中离解成阴离子，利于活性炭吸附［6］.另一方面，高的炭化温度也使得生物质的孔径增大、增多，增加了活性炭的表面积，使吸附位点增多，增大了对活性艳红KD－8B 的吸附［6］，炭化温度提高也可能使活性炭芳香性增加，增强与染料的作用［6］，研究中发现炭化温度高于400℃时(图1)，麦秸生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附显著增加.pH可以改变吸附质在溶液中的存在形态和活性炭表面官能团的电离状态，所以pH 对水溶液中活性炭的吸附行为有重要的影响.当溶液的pH ＜pH pzc(一般是强酸性溶液中)，活性炭表面带有正电荷易于吸附在酸性环境下电离带负电荷的活性艳红KD－8B，当溶液的pH ＞pH pzc(一般在中性或碱性溶液中)，活性炭表面带有负电荷，与活性艳红KD－8B 之间有大的斥力，使吸附性下降［13］.而吸附时间的延长则有利于活性艳红KD－8B 在生物质炭内部的进一步扩散、分配作用，故长的吸附时间有利于吸附率的增加［6］.

因此，秸秆生物质炭对活性艳红KD－8B 的吸附作用，是在官能团间静电引力与生物质炭结构嵌合扩散作用共同影响下形成的综合结果.而不同的外界条件，使得其中某种因素起主导作用或主导程度不同，导致吸附效果不一样.

4 结 论

秸秆生物质炭对有机染料的吸附作用，是在官能团间静电引力与生物质炭结构嵌合扩散、分配作用共同影响下形成的综合结果.不同的外界条件，使得其中某种因素起主导作用或主导程度不同，导致吸附效果不同.实验结果表明，在炭化温度为600℃，pH 值为2.0，初始浓度为50mg/L 的活性艳红KD－8B 溶液中加入7.0 g/L 小麦生物质炭，吸附30min 后，对活性艳红的吸附率可达90%以上.

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