水稻壳生物炭对苯酚的吸附特性研究

分类：论文范文 发表时间：2020-04-15 08:57

　　摘要：为促进水稻壳的资源化利用，以水稻壳为材料，采用慢速热解技术于300℃、400℃、500℃条件下制备生物炭吸附剂(BC300、BC400、BC500)，检测其去除水中苯酚的效果。吸附试验结果表明，生物炭的制备温度显著影响其对苯酚的吸附效果，3种温度制备的生物炭对苯酚的吸附能力表现为BC500>BC400>BC300。此外，苯酚的初始浓度、吸附温度和时间等因素均能影响吸附效果。25℃下苯酚初始浓度为20mg/L时，BC500对苯酚的去除率最高，达98%;生物炭对苯酚的等温吸附线符合Langmuir模式和Freundlich模式。研究结果探明了水稻壳制备生物炭吸附剂去除苯酚的最适条件，可为水稻壳应用于苯酚等有机污染物的去除提供理论依据。

　　关键词：生物炭;水稻壳;苯酚

　　水稻是主要的粮食作物之一，世界上近一半人口以大米为主食。在农村，水稻壳部分被用作饲料，大部分被焚烧，未得到有效利用。生物炭是生物有机材料(生物质)在缺氧或绝氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物。既可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已广泛应用于固碳减排、水源净化、重金属吸附和土壤改良中，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等全球关切的热点问题提供解决方案[1-2]。生物炭在治理环境污染方面有巨大潜力，并且生物炭原料来源广泛，有望作为廉价的吸附剂而被广泛应用[3-4]。

　　本研究以水稻壳为原料，在不同热解温度下制备生物炭，并用生物炭来吸附水中的苯酚，以研究热解温度、苯酚初始浓度、吸附温度和吸附时间对苯酚吸附效率的影响，揭示水稻壳生物炭对苯酚的吸附特性，为水稻壳的资源化利用提供参考。

　　1材料与方法

　　1.1试验材料

　　水稻壳取自陕西省汉中市某村，清洗风干后用粉碎机粉碎，加盖密封在坩埚中置于马弗炉内，分别在300℃、400℃、500℃热解2h后得到生物炭，标记为BC300、BC400、BC500。冷却至室温后，研磨过100目筛备用。苯酚(phenol)为分析纯，购自天津市致远化学试剂有限公司。仪器设备：电子天平(德国赛多利斯)、紫外可见分光光度计(日本岛津)、马弗炉(北京科伟永兴)、水浴恒温振荡器(常州丹瑞)、粉碎机(天津鑫博得)、电热鼓风干燥箱(北京科伟永兴)。

　　1.2试验设计

　　设置20、30、40、50、60、70、80mg/L7个苯酚初始浓度梯度，研究不同温度热解水稻壳生物炭对不同初始浓度苯酚的去除率。分别在25℃、35℃和45℃下进行恒温振荡吸附，研究不同吸附温度对不同温度热解水稻壳生物炭吸附作用的影响。震荡吸附3h，分别在5、10、20、30、45、60、90、120、150、180min取样，检测苯酚吸附率，研究不同温度热解生物炭对苯酚的吸附率随时间的变化情况。

　　1.3测定项目及方法

　　1.3.1水稻壳生物炭对苯酚的吸附情况

　　称取0.10gBC300、BC400、BC500各5份，于50mL锥形瓶中加入20mL苯酚溶液，在恒温水浴振荡器中以150r/m转速振荡3h后，过0.45μm微孔滤膜，在270nm处测定剩余苯酚的吸光度值。

　　1.3.2苯酚含量

　　称取苯酚0.2500g，在棕色容量瓶中加蒸馏水定容至250mL，得到浓度为1000mg/L的苯酚储备液。分别稀释此溶液至10、20、30、40、50mg/L。于紫外可见分光光度计中在270nm处分别测定吸收值，得回归方程y=0.0065x+0.0154，R2=0.9999。用紫外可见分光光度法(λ=270nm)测定吸附后的苯酚浓度，每组进行3个平行实验，取其平均值。达到吸附平衡后的苯酚吸附量qe及去除率η。

　　1.4数据分析

　　实验所得数据采用Sigmaplot10.0软件进行拟合。

　　2结果与分析

　　2.1苯酚初始浓度对水稻壳生物炭去除率的影响

　　3种热解温度下的水稻壳生物炭对苯酚的去除率随苯酚初始浓度的增加呈逐渐降低趋势。BC300在苯酚初始浓度为20mg/L时，对苯酚的去除率最高，达93%;BC400在苯酚初始浓度为20mg/L时，对苯酚的去除率最高，达94%;BC500在苯酚初始浓度为20mg/L时，对苯酚的去除率最高，达98%。

　　综上可见，不同热解温度下制得的水稻壳生物炭对苯酚的吸附效率差异较大，BC500对苯酚的吸附率比BC300和BC400要高，原因可能是其微孔数量多，孔隙度和比表面积大。

　　2.2温度对水稻壳生物炭吸附苯酚的影响

　　BC300、BC400、BC500分别在25℃、35℃、45℃条件下吸附3h后的苯酚去除率见图2。从图2可见，水稻壳生物炭对苯酚的去除率随吸附温度的升高整体上呈逐渐降低的趋势。吸附温度升高，去除率减小，说明吸附反应属于放热过程，升高温度不利于吸附的进行。从图2可知，25℃、苯酚初始浓度20mg/L时，BC300对苯酚有最大去除率为93%，BC400对苯酚有最大去除率为94%，BC500对苯酚有最大去除率为98%。随着苯酚初始浓度的加大，BC300、BC400、BC500对苯酚的去除率整体上逐渐降低。

　　2.3水稻壳生物炭对苯酚的吸附率随时间的变化情况

　　在反应最开始的30min内水稻壳生物炭对苯酚的去除率增加迅速，随着反应的进行，去除率逐渐增大，在30min至90min内吸附率缓慢上升，之后吸附过程趋于平稳，反应进行120min后，延长反应时间，去除率基本保持不变，在充分振荡180min后吸附反应达到平衡。在相同的吸附时间内，3种生物炭对苯酚吸附能力表现为BC500>BC400>BC300。当达到吸附平衡后，BC300对50mg/L苯酚的吸附率为81%左右，BC400的吸附率为84%左右，BC500的吸附率为88%左右。

　　3讨论

　　马锋锋等[7]的研究表明，牛粪生物炭对水中氨氮的吸附是一个快速吸附、缓慢平衡的过程，Freundlich模型对阿特拉津在生物质炭土壤上的吸附数据拟合结果均较好。本研究发现，水稻壳生物炭对苯酚的吸附也是一个先快后慢的过程。郎印海[8]用花生壳和小麦秸秆制备生物炭吸附水中的五氯酚，发现同种原料不同热解温度下生物炭吸附效果表现为400℃>600℃>300℃，这与本文的研究结果不同，可能是由于生物炭的制备原材料差异所导致;与本文研究结果低温有利于水稻壳生物炭吸附苯酚相同的是，他们也发现低温有利于花生壳和小麦秸秆生物炭吸附五氯酚。代银分等[9]研究表明，5种来源不同的生物炭对磷的等温吸附能很好地拟合Langmuir方程，本文也发现Langmuir方程能够很好的描述水稻壳生物炭对苯酚的等温吸附。张振国等[10]研究发现，小麦秸秆生物炭可以有效提高黄土对NP的饱和吸附量。说明生物炭在土壤介质中也能有效吸附污染物，生物炭在环境保护领域具有重要的应用价值。

　　4结论

　　水稻壳生物炭对低浓度苯酚有较强的吸附作用，作为一种新型的吸附剂，原料易得且制作方法简单，具有较高的开发应用价值。热解温度为500℃时，水稻壳生物炭对苯酚的去除率最大。在25℃下，500℃生物炭对初始浓度为20mg/L苯酚的去除率达到98%。低温有利于吸附，25℃下，苯酚初始浓度20mg/L时，BC300对苯酚的最大去除率为93%，BC400对苯酚的最大去除率为94%，BC500对苯酚的最大去除率为98%。水稻壳生物炭对苯酚的吸附等温线符合Langmuir和Freundlish模式。

　　参考文献

　　[1]YUKL，LAUBF，SHOWPL，etal.Recentdevelopmentsonalgalbiocharproductionandcharacterization[J].BioresourTechnol，2017，246:2-11.

　　[2]WEBERK，QUICKERP.Propertiesofbiochar[J].Fuel，2018，217:240-261.

　　[3]MEYERS，GLASERB，QUICKERP，etal.Technical，economical，andclimate-relatedaspectsofbiocharproductiontechnologies:aliteraturereview[J].EnvironSciTechnol，2011，45(22):9473-9483.

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