本文關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

    湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)1304班  張俊威

    摘要：利用園林植物修剪下來的生物質(zhì)制備生物炭，研究其對水溶液中甲基橙的吸附效果，結(jié)果表明：植物生物質(zhì)經(jīng)300℃燒制2小時(shí)后即得到具有較強(qiáng)吸附性能的生物炭。生物炭對水溶液中甲基橙脫除率達(dá)到84%以上，其對甲基橙的飽和吸附量約為16.23 mg/g。上述結(jié)果表明，將園林修剪生物質(zhì)制成生物炭是一個很好的綜合利用途徑。

    關(guān)鍵詞：園林植物，生物炭，甲基橙，吸附

    近年來，利用生物質(zhì)制備生物炭的研究越來越受到重視。生物炭是生物質(zhì)在控制氧氣氛條件下熱解后形成的具有多孔性的木炭[1, 2]，它在環(huán)境中可穩(wěn)定存在上千年之久[3, 4]。生物炭由于表面含有羧基、酚羥基、羰基、醌基等官能團(tuán)[5]，具有很大的比表面、孔隙率和離子交換能力，具有良好的吸附脫色能力[6, 7]，，可以作為吸附有機(jī)物和重金屬的良好介質(zhì)[8, 9]。富磷污泥生物炭在pH=5.0，吸附3小時(shí)，生物炭投加量20g·L-1條件下，對水中Pb(Ⅱ)的吸附量達(dá)到34.5mg·g-1[10]。在pH=4.5和5.0時(shí)稻草炭對溶液中Cu(Ⅱ)的吸附量分別為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。隨著我國城鎮(zhèn)化程度的迅速發(fā)展，城市綠化率不斷提高，園林景觀植物修剪過程中產(chǎn)生的生物質(zhì)也越來越多，如何解決這些修剪生物質(zhì)的綜合利用問題是一個非常有意義的課題。本文利用園林綠化植物修剪產(chǎn)生的生物質(zhì)制備出生物炭，并初步探討生物炭對水溶液中甲基橙的吸附效果。

    一、材料與方法

    1、供試材料

    收集園林綠化植物修剪下來的枝條生物質(zhì)，先用自來水清洗，再用去離子水洗凈，用不銹鋼刀將這些生物質(zhì)切碎成長度小于1cm的小塊，于60 ℃下干燥箱中烘干。用不銹鋼粉碎機(jī)將干燥后的生物質(zhì)破碎并過20目篩，備用。

    2、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

    ①生物炭制備試驗(yàn)

    用新鋁盒盛裝、壓實(shí)切碎的生物質(zhì)，放入馬弗爐后控制氧氣氛進(jìn)行煅燒，馬弗爐升溫速率保持在20 ℃·min-1，當(dāng)溫度升至300 ℃后分別燒制2、2.5和3小時(shí)，自然冷卻后取出炭化產(chǎn)物（生物炭），并將生物炭研磨過60目篩后裝入密閉塑料袋中，備用。

    ②甲基橙吸附試驗(yàn)

    取40 ml濃度為6.7 mol·L-1的甲基橙溶液于錐形瓶中，依次向甲基橙廢水中加入0.2、0.5、0.8、1.1和1.4 g生物炭，控制水浴搖床振蕩速度150 r·min-1，水溫30 ℃條件下吸附2小時(shí)，測量生物炭對水溶液中甲基橙的吸附容量。同時(shí)，在相同吸附條件下，在40 ml濃度為6.7 mol·L-1的甲基橙溶液中投加0.2g生物炭，振蕩吸附10、30、60、90、120、150和180分鐘后，測定水溶液中剩余甲基橙濃度，利用甲基橙濃度差值計(jì)算生物炭對廢水中甲基橙的吸附速率。同時(shí)，不加生物炭處理作對照試驗(yàn)。

    3、測試與分析

    生物炭的表面特性采用XL30型掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描；生物炭吸附前后甲基橙濃度采用UV-1801分光光度計(jì)進(jìn)行測定，具體測試步驟如下：在509 nm波長下測定標(biāo)準(zhǔn)系列和樣品的吸光度值，將吸光度值換算為廢水中甲基橙濃度，再通過下式計(jì)算生物炭對甲基橙的脫除效果：

    式中：C0和C為模擬甲基橙廢水生物炭吸附前后溶液中甲基橙濃度。

    二、結(jié)果與討論

    1、燒制時(shí)間對生物炭對甲基橙脫除率的影響。

    300 ℃，不同燒制時(shí)間制備出的生物炭對水溶液中甲基橙脫除率的影響不明顯。300 ℃下燒制2 小時(shí)制備出的生物炭對水溶液中的甲基橙脫色率達(dá)到88.9 %，優(yōu)于燒制2.5小時(shí)和3小時(shí)制備出的生物炭，其脫色率依次為87.7 %和84.8 %。表明燒制2小時(shí)已經(jīng)完全可以滿足生物質(zhì)制備生物炭的要求，并使制備出的生物炭保持較好的吸附性能。

    圖1 燒制時(shí)間對生物炭脫除水溶液中甲基橙的影響

    2、生物炭對水溶液中甲基橙的吸附容量。

    從圖2中可以看出，采用300 ℃下燒制2 小時(shí)制備出的生物炭吸附水溶液中甲基橙，當(dāng)在40 ml濃度為6.7 mol·L-1的甲基橙水溶液中添加0.8 g生物炭時(shí)，水溶液中甲基橙的脫除率達(dá)到96.9 %，添加更多的生物炭，其對水溶液中甲基橙的脫除效率基本達(dá)到100%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，生物炭的飽和吸附量約為16.23 mg/g。

    圖2 生物炭添加量對水溶液中甲基橙脫除率的影響

    3、吸附時(shí)間對生物炭對甲基橙脫除率的影響。

    利用300 ℃、不同制備時(shí)間條件下制備出的生物炭吸附水溶液中甲基橙。從圖3可以看出，生物炭對水溶液中甲基橙的脫除率隨吸附時(shí)間延長，吸附效率不斷增加。當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到2小時(shí)，生物炭對水溶液中甲基橙的脫除率已經(jīng)基本達(dá)到80%左右。從圖3中可以進(jìn)一步說明，生物炭的制備時(shí)間對生物炭的吸附速率和吸附效果影響不明顯。

    圖3生物炭脫除水溶液中甲基橙效率隨時(shí)間的變化

    4、生物炭的表面特征

    對不同時(shí)間制備出的生物炭進(jìn)行表面特征分析，從其電鏡掃描圖片中可以看出（圖4），燒制2小時(shí)制備出的生物炭表面疏松多孔，有大量“薄紗”狀的片狀結(jié)構(gòu)，而燒制2.5小時(shí)和燒制3小時(shí)制備出的生物炭已呈條柱狀或碎片狀，部分生物炭明顯呈顆粒物棒狀結(jié)構(gòu)，這些表面結(jié)構(gòu)特征的差異可能是導(dǎo)致它們吸附性能的主要原因。這也從微觀結(jié)構(gòu)上解釋了為什么燒制2小時(shí)的生物炭對甲基橙脫色效果更好。  

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

    三、結(jié)論

    1、利用園林景觀植物修剪下來的生物質(zhì)可以用來制備生物炭。

    2、在300℃下燒制2小時(shí)得到的生物炭對水溶液中甲基橙脫除率可達(dá)到96.9%，生物炭對水溶液中甲基橙具有很好的脫除能力。

    3、在300℃下燒制2小時(shí)制備出的生物炭，其飽和吸附量約為16.23 mg/g。

    參考文獻(xiàn)

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