不同溫度生物炭酸化前后的表面特性及鎘溶液吸附能力比較

簡(jiǎn)敏菲，高凱芳，余厚平，楊研

1. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022；2. 江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330022

不同溫度生物炭酸化前后的表面特性及鎘溶液吸附能力比較

簡(jiǎn)敏菲1,2*，高凱芳1，余厚平2，楊研1

1. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330022；2. 江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330022

以稻稈為原料，在不同溫度（300，400，500，600，700 ℃）條件下采用限氧控溫炭化制備生物炭，用HCl和HF對(duì)其進(jìn)行酸化處理，利用傅立葉變換紅外光譜儀、比表面積和孔徑測(cè)定儀現(xiàn)代分析手段對(duì)生物炭酸化前后的表面官能團(tuán)、比表面積、孔徑等特性進(jìn)行比較，分析制備溫度和生物炭表面特性之間的關(guān)系，探究制備所需生物炭的最佳溫度條件。通過生物炭酸化處理和鎘吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究酸可溶礦物在生物炭吸附鎘的貢獻(xiàn)及制備溫度對(duì)生物炭吸附鎘能力的影響，為生物炭吸附水體中重金屬鎘提供科學(xué)依據(jù)。傅里葉紅外分析表明，不同溫度生物炭表面官能團(tuán)存在一定的差異，主要表現(xiàn)為隨制備溫度升高，烷烴基缺失，甲基-CH3和亞甲基-CH2逐漸消失，形成了芳香環(huán)且芳香化程度增加。生物炭酸化后無機(jī)礦物SiO2吸收峰逐漸消失，官能團(tuán)種類并沒有發(fā)生變化，不同官能團(tuán)隨制備溫度變化規(guī)律仍與酸化前生物炭一致。表面積及孔徑分析結(jié)果表明，生物炭孔結(jié)構(gòu)主要為中孔，隨著熱解溫度的升高，比表面積和總孔容有所增大，在 600 ℃達(dá)到最大；平均孔徑隨著制備溫度升高而變小。生物炭酸化處理可以顯著增大生物炭比表面積，總孔容也有所增加。生物炭酸化后充分去除了礦物質(zhì)，孔隙結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，孔結(jié)構(gòu)仍為中孔，微孔表面積減小。鎘吸附實(shí)驗(yàn)表明生物炭對(duì)鎘具有較強(qiáng)的吸附能力，不同溫度條件下鎘吸附率均高于 75%，且隨溫度升高而上升。生物炭經(jīng)酸化處理后，鎘吸附能力顯著下降，這說明生物炭中的酸可溶礦物質(zhì)在鎘溶液的吸附過程中有重要作用。

稻稈生物炭；酸化；制備溫度；表面特性；鎘吸附能力

中國(guó)是世界秸稈第一大國(guó)，糧食作物秸稈是我國(guó)主要的農(nóng)作物秸稈，2005年約占農(nóng)作物秸稈的70.22%（畢于運(yùn)等，2010）。水稻秸稈是我國(guó)第一大作物秸稈，主要分布在南方地區(qū)和東北地區(qū)。江西以農(nóng)業(yè)為主，糧食作物以水稻為主，資源豐富但同時(shí)也產(chǎn)生稻稈等大量農(nóng)業(yè)廢棄物，傳統(tǒng)處理方式是在田間直接焚燒，不僅增加溫室氣體，而且未完全燃燒的顆粒也極易對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響，秸稈焚燒也一度成為農(nóng)業(yè)的公害。因此，將水稻秸稈制備成生物炭，不僅可以改善環(huán)境，而且可以促進(jìn)資源的合理利用，變廢為寶。

生物炭（biochar）是生物質(zhì)在無氧環(huán)境條件下緩慢高溫分解得到的富含碳的有機(jī)物質(zhì)（Chan et al.，2007；Chan et al.，2008）。制備生物炭的生物質(zhì)材料種類繁多，主要由木材和秸稈類，還包括一些活性污泥、動(dòng)物骨頭及動(dòng)物糞等廢棄物（徐義亮，2013）?？蓪⒏黝惿镔|(zhì)簡(jiǎn)單分為4種：木質(zhì)材料、草本植物、水生植物和糞質(zhì)材料（McKendry，2002）。

生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和豐富的表面官能團(tuán)等等，因此多應(yīng)用于土壤改良和吸附重金屬及有機(jī)污染物。原材料、制備溫度、保溫時(shí)間、升溫速率等都會(huì)不同程度地影響生物炭的各種理化特性（程國(guó)淡等，2013；盧歡亮等，2015）。近年來，不同條件下制備的生物炭特性研究及其對(duì)土壤或底泥環(huán)境中各種污染物的吸附及富集作用的研究已成為熱點(diǎn)，如研究油菜籽枯餅熱解制備生物炭的特性（Ucar et al.，2008）、植物生物質(zhì)炭分子的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)（Keiluweit et al.，2010）；酪蛋白制備的生物炭及其特性（Purevsuren et al.，2003）、生物炭對(duì)有機(jī)化合污染物（Cornelissen et al.，2005）、不同極性或非極性的芳香族有機(jī)污染（Chen et al.，2008）、有機(jī)磷（Chen et al.，2011）等各種環(huán)境污染物的吸附與富集等作用。

目前生物炭研究多集中在其理化特性、吸附特性、吸附機(jī)理等方面，對(duì)生物炭組成成分在吸附中作用的研究較少。因此本文以稻稈為原材料，在不同溫度（300，400，500，600，700 ℃）條件下采用限氧控溫炭化法（Glaser et al.，2002）制備生物炭，利用比表面積和孔徑測(cè)定儀，傅立葉變換紅外光譜儀等現(xiàn)代分析手段對(duì)生物炭酸化前后的比表面積及孔徑、表面官能團(tuán)等特性進(jìn)行比較分析，并通過鹽酸或氫氟酸對(duì)其進(jìn)行酸化處理和生物炭鎘吸附實(shí)驗(yàn)，探究制備溫度和酸化處理對(duì)生物炭的表面特性及鎘吸附能力的影響，比較比表面積和酸可溶礦物對(duì)生物炭吸附能力的影響大小，進(jìn)一步研究酸可溶礦物在生物炭鎘吸附中的貢獻(xiàn)，為生物炭吸附水體中重金屬的應(yīng)用提供合理的支持和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

試劑：CdCl2·2.5H2O、HCl、HF。

主要儀器：美國(guó) Varian原子吸收光譜儀 AAS（AA(240FS+240Z)），比表面積和孔徑測(cè)定儀 SA（BELSORP-miniⅡ，日本 BEL公司），傅立葉變換紅外光譜儀 IR（Nicolet 6700，美國(guó)尼高利），臺(tái)式高速離心機(jī)，馬弗爐，水浴恒溫振蕩器，電熱鼓風(fēng)干燥箱，電子分析天平。

1.2 材料

水稻秸稈采自江西省南昌市郊區(qū)，水稻收割后取剩余秸稈。水稻秸稈用自來水和去離子水依次沖洗兩遍，以除去表面殘留的灰塵，去除雜質(zhì)自然風(fēng)干2 d后于烘箱中70 ℃烘12 h，粉碎，過50目篩后裝密封袋備用。

1.3 生物炭的制備

將稻稈置于100 mL陶瓷坩禍，壓實(shí)蓋上蓋，在馬弗爐內(nèi)熱解炭化。設(shè)置熱解升溫速率為 15 ℃·min-1。熱處理溫度（HTT）分別為300、400、500、600、700 ℃，保溫時(shí)間均為3 h，冷卻至室溫，研磨，過100目篩孔，分別裝入廣口瓶中，并做好標(biāo)記備用或待測(cè)。

1.4 生物炭酸化處理

部分備用的生物炭需采用酸化處理法（Chun et al.，2004）去除生物炭中的礦物質(zhì)。不同溫度條件下制備的生物炭5 g于50 mL離心管中，加入20 mL 1 mol·L-1HCl和20 mL 1 mol·L-1HF振蕩6 h，8000 r·min-1下離心15 min，棄上清液，用1 mol·L-1的HCl溶液40 mL，重復(fù)離心4次，再加入1 mol·L-1的HCL溶液20 mL及1 mol·L-1的HF溶液20 mL，再重復(fù)離心4次，過濾。酸化后的生物炭用超純水洗至中性，80 ℃烘干、裝瓶密封、備用待測(cè)。

1.5 生物炭酸化前后的表征方法

1.5.1 紅外光譜分析

采用傅立葉變換紅外光譜儀測(cè)定生物炭的紅外光譜。將過100目的生物炭烘干，與KBr按比例1∶2000混合，在瑪瑙研缽中磨勻，壓片后測(cè)試。測(cè)試波數(shù)范圍：400～4000 cm-1，掃描32次疊加，溫度25 ℃，相對(duì)濕度40%～45%，分辨率0.5 cm-1。

1.5.2 比表面積及孔徑分析

用于計(jì)算比表面積的模型一般有兩種，Langmuir模型和Brunauer-Emmett-Teller（BET）模型。BET模型適合于吸附等溫線的一部分，適用的范圍與吸附材料和吸附質(zhì)的性質(zhì)相關(guān)。一般情況下，適用范圍為P/P0小于0.3，BET模型已成為計(jì)算多孔材料比表面積常用的方法。本文比表面積測(cè)定選用BET法，公式為：S=6.023×1023nmσ，式中S為比表面積，nm為單層飽和吸附量，σ為分子的截面積，若選擇N2作吸附質(zhì)，則σ=1.62×10-21m2?？讖椒植歼x用BJH模型，BJH模型是目前使用歷史最長(zhǎng)，普遍被接受的孔徑分布計(jì)算模型，用以評(píng)價(jià)吸附材料中孔分布情況（Lowell et al.，1991）。

采用比表面積及孔徑分布儀（BELSORP-miniⅡ）測(cè)定生物炭的比表面積及孔徑分布，在液氮溫度（77K）條件下，以液態(tài)氮為吸附介質(zhì)，完成氮?dú)馕?脫附實(shí)驗(yàn)。測(cè)定前，所有的樣品均在150 ℃、真空條件下脫氣 2 h，以清除試樣表面已經(jīng)吸附的物質(zhì)，99.999% N2為吸附質(zhì)，液氮溫度77 K，在飽和蒸汽壓為1.0360 bar，P/P0取點(diǎn)在0.05～0.35范圍。

1.6 生物炭酸化前后的鎘吸附能力測(cè)試方法

酸化處理前后的生物炭樣品對(duì)鎘溶液的吸附能力比較實(shí)驗(yàn)參照文獻(xiàn)中的方法（徐義亮，2013）。準(zhǔn)確配制10 mg·L-1CdCl2·2.5 H2O鎘溶液作為比較酸化前后生物炭的鎘吸附能力的吸附液，Cd2+實(shí)際濃度為4.92 mg·L-1。準(zhǔn)確稱取0.02 g不同溫度和酸化前后的生物炭各樣品于50 mL離心管中，分別加入20 mL鎘溶液，在120 r·min-1、25 ℃恒溫條件下振蕩48 h，8000 r·min-1下離心15 min，收集濾液，利用原子吸收光譜法測(cè)定鎘濃度，利用差減法計(jì)算生物炭對(duì)鎘的吸附量。平行重復(fù)3次，同時(shí)做3組空白對(duì)照。

1.7 數(shù)據(jù)處理及分析方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0軟件、Origin 8.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用One-way ANOVA單因素方差分析及多重比較（LSD）方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同制備溫度下未酸化生物炭紅外光譜分析

以波數(shù)σ（σ范圍4000～500 cm-1）為橫坐標(biāo)，透光率T（%）為縱坐標(biāo)，繪制不同溫度（300、400、500、600、700 ℃）下未酸化生物炭（樣品重復(fù)量n=5）的FTIR圖譜，如圖1所示。由圖1可知，生物炭在3440、2958、2914、2850、1605、1448、1432、1095、和775 cm-1等處均有較高的吸收峰，表明生物炭表面含有不同種類的官能團(tuán)如羥基、羧基、羰基等，且不同溫度制備下生物炭的表面官能團(tuán)存在一定差異，生物炭表面官能團(tuán)總含量隨制備溫度的升高而減少。

圖1 不同制備溫度條件下稻稈生物炭紅外光譜Fig. 1 The FTIR spectrum chart of different biochars made from rice straw under different temperatures

波數(shù)3440 cm-1附近的寬峰為羥基（-OH）的伸縮振動(dòng)（潘萌嬌等，2014；徐義亮，2013），羥基吸收峰隨著制備溫度的升高而逐漸減弱，這說明溫度升高羥基數(shù)量減少。這是由于隨著溫度升高結(jié)合水的脫離和氫鍵結(jié)合的羥基逐漸斷裂。生物炭制備過程主要為水分蒸發(fā)、過渡、有機(jī)物分解和炭化 4個(gè)過程，水稻秸稈主要由半纖維素、纖維素、木質(zhì)素等組成，不同成分具有不同的裂解溫度，半纖維素在低溫就可以裂解，隨著溫度升高纖維素和木質(zhì)素逐漸開始分解。1000～1200 cm-1為典型的取代芳環(huán)C-H吸收峰，稻稈生物炭在1095 cm-1吸收峰顯著，在1605 cm-1處為芳環(huán)C=C的伸縮振動(dòng)（徐義亮，2013；潘萌嬌等，2014），1448和1432 cm-1為芳環(huán)C-C的伸縮振動(dòng)（羅亭，2014），均隨著溫度升高而減弱，說明溫度升高木質(zhì)素大量分解，芳環(huán)結(jié)構(gòu)中的鍵在逐步發(fā)生斷裂。

波數(shù)775 cm-1處的吸收峰為芳環(huán)C-H彎曲振動(dòng)（潘萌嬌等，2014），隨制備溫度升高吸收峰增強(qiáng)，說明稻稈在熱解制備生物炭過程中形成了芳香環(huán)且芳香化程度增加。波數(shù)2958、2914和2850 cm-1是甲基-CH3和亞甲基-CH2中-C-H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生（潘萌嬌等，2014；徐義亮，2013），300、400 ℃生物炭存在烷烴C-H吸收峰，而500、600、700 ℃生物炭沒有出現(xiàn)該吸收峰，說明隨著制備溫度升高，烷烴基團(tuán)缺失，甲基-CH3和亞甲基-CH2逐漸消失，生物炭芳香性增強(qiáng)。生物炭表面官能團(tuán)隨制備溫度變化規(guī)律與一些研究結(jié)果相似（郝蓉等，2010；曹美珠等，2014；孫克靜等，2014；孟李群等，2014）。

2.2 不同制備溫度下酸化稻稈生物炭紅外光譜分析

不同溫度下稻稈生物炭經(jīng)酸化處理后，F(xiàn)TIR圖譜如圖2所示，橫坐標(biāo)波數(shù)σ范圍為4000～500 cm-1，縱坐標(biāo)為透光率T（%），樣品重復(fù)量n=5。經(jīng)酸化處理后，生物炭在3497、2960、2928、2920、1638、1410、1128、878和803 cm-1處仍有較高的吸收峰。這說明經(jīng)酸化處理后生物炭官能團(tuán)種類并沒有發(fā)生明顯變化，且不同官能團(tuán)變化規(guī)律仍與酸化前的生物炭一致。

圖2 不同制備溫度酸化后生物炭紅外光譜圖Fig. 2 The FTIR spectrum chart of different acidified biochars made from rice straw under different temperatures

2.3 未酸化生物炭的比表面積及孔徑分析

不同制備溫度下未酸化生物炭（樣品重復(fù)量n=5）的比表面積和孔徑結(jié)果見表1。根據(jù)孔徑大小，固體表面的細(xì)孔可以分成3類：微孔<2 nm；中孔2～50 nm，大孔孔徑>50 nm（羅亭，2014）。由表1可見，生物炭平均孔徑均大于2 nm，這說明稻稈生物炭孔結(jié)構(gòu)主要為中孔，且平均孔徑隨著溫度升高而減小，但在600 ℃升溫時(shí)平均孔徑有所增加。

稻稈生物炭在 300 ℃到 500 ℃的比表面積和微孔體積緩慢增加，500 ℃到600 ℃時(shí)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等大量分解，揮發(fā)性物質(zhì)的快速釋放和氣體產(chǎn)物的析出引起小孔的大量開放，比表面積和微孔體積急劇增加。

表1 不同溫度下未酸化生物炭的比表面積和孔徑Table 1 Surface structure features of biochars made from rice straw under different temperatures

300 ℃升至600 ℃時(shí)，生物炭比表面積從6.11 m2·g-1增加至288.10 m2·g-1，約增加了46倍，生物炭制備溫度升至700 ℃比表面積有所下降。本文結(jié)果與潘萌嬌等（2014）用棉稈制備生物炭的比表面積變化規(guī)律相一致。當(dāng)溫度上升到600 ℃，微孔的數(shù)量隨著揮發(fā)分物質(zhì)的析出而顯著增加，導(dǎo)致孔體積和比表面積的增加。由于揮發(fā)分氣泡的演變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)次序以及微孔數(shù)量的減少和大孔數(shù)量的增加被認(rèn)為是導(dǎo)致 700 ℃時(shí)比表面積減少的原因（Glatzel et al.，2008）。隨著溫度升高，稻稈生物炭總孔容、微孔表面積均呈增大的趨勢(shì)，但當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，再繼續(xù)升高溫度則影響不大。這說明高溫和低溫都不利于生物炭比表面積的擴(kuò)大，600 ℃為制備BET比表面積最大的最佳溫度。

2.4 酸化生物炭比表面積及孔徑比較分析

不同溫度下稻稈生物炭（樣品重復(fù)量n=5）經(jīng)酸化處理后的比表面積和孔徑結(jié)果見表 2。由表 2可見，酸化處理后的生物炭BET表面積、總孔容、微孔表面積和平均孔徑隨制備溫度變化規(guī)律仍與酸化前一致。隨著制備溫度升高，酸化處理后的生物炭平均孔徑呈減小趨勢(shì)，孔結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，仍然為中孔。相比未酸化生物炭，酸化生物炭比表面積極大增加，其中 500 ℃生物炭酸化前后變化最大，由55.77 m2·g-1升至234.27 m2·g-1，比表面積增加約3.2倍，總孔容也有所增加。張鵬等（2012）700 ℃同等條件下用豬糞制備生物炭酸化后比表面積由酸化前的32.6增加至218，比表面積約增加了6.7倍。生物炭經(jīng)酸化后孔隙結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，BET比表面積和總孔容增大，微孔表面積減小，微孔數(shù)量減少。

表2 不同溫度下酸化生物炭的比表面積和孔徑Table 2 Surface structure features of acidified biochars made from rice straw under different temperatures

2.5 不同制備溫度下生物炭酸化前后的鎘吸附能力比較

不同制備溫度下生物炭酸化前后的鎘吸附率結(jié)果見圖3，樣品重復(fù)量均為n=10×3。由圖3可見，未酸化生物炭和酸化生物炭鎘吸附率均隨制備溫度升高而上升，制備溫度從 300 ℃升至 700 ℃，兩種不同處理生物炭的鎘吸附率分別由 78.53%和13.37%提高到88.64%和27.68%。

圖3 不同制備溫度生物炭酸化前后鎘吸附率比較Fig. 3 Comparison of Cadmium pollutants removal rate of unacidified or acidified biochars made from rice straw under different temperatures

未經(jīng)酸化處理的稻稈生物炭對(duì)鎘具有較高的吸附量，不同制備溫度條件下，未酸化生物炭的鎘吸附率均高于75%，這與戴靜等（2013）用稻稈、木屑等原材料制備不同溫度的生物炭對(duì)Pb2+和Cd2+的吸附特性研究中結(jié)果一致。其中300和400 ℃制備溫度下，未酸化生物炭的鎘吸附率差異較顯著，當(dāng)溫度超過 400 ℃以上，未酸化生物炭的鎘吸附率呈略微上升的趨勢(shì)，鎘吸附率基本穩(wěn)定在87%～89%之間，在 700 ℃鎘吸附率達(dá)到最大為88.64%。隨著制備溫度升高，生物炭芳香化程度增加，孔隙結(jié)構(gòu)更加完善，比表面積增大，因此適當(dāng)增加制備溫度可以提高生物炭對(duì)鎘溶液的吸附能力。

由于生物炭具有豐富的表面官能團(tuán)和礦物，對(duì)重金屬具有較好的吸附作用。生物炭吸附鎘溶液的作用機(jī)理已有研究，研究表明，不同溫度生物炭吸附重金屬鎘溶液的機(jī)理存在一定差異，低溫生物炭主要是-COOH、-OH等表面官能團(tuán)和重金屬鎘發(fā)生離子交換或表面絡(luò)合作用從而吸附鎘，高溫生物炭吸附鎘溶液中的鎘主要是生物炭中的礦物質(zhì)和重金屬離子的絡(luò)合作用和沉淀作用。由圖3可見，生物炭經(jīng)酸化處理后，鎘吸附率顯著下降。300～700 ℃之間的5種溫度下的酸化生物炭鎘吸附率分別由酸化前的 78.53%、87.35%、87.92%、88.51%和88.64%下降至13.37%、15.41%、16.41%、18.43%和 27.68%，下降百分比分別為 82.98%、82.36%、81.34%、79.18%和 68.77%。生物炭的比表面積大小和礦物質(zhì)都是影響其吸附性的關(guān)鍵因素。這表明酸化處理雖然導(dǎo)致生物炭比表面積增加，但同時(shí)也去除了礦物質(zhì)，相比比表面積，酸可溶礦物質(zhì)對(duì)生物炭吸附性能的影響更大，在生物炭吸附中具有重要作用。因此要制備對(duì)鎘溶液吸附能力較好的生物炭，一方面可適當(dāng)提高制備溫度，本文中700 ℃為最佳制備溫度，另一方面還可增加生物炭中礦物質(zhì)含量，比如，可利用礦物質(zhì)含量高的原材料制備生物炭。

3 結(jié)論

（1）傅里葉紅外分析表明，稻稈生物炭表面含有豐富的官能團(tuán)，如羥基、羧基、酯羰基、吡啶等，不同溫度生物炭表面官能團(tuán)會(huì)有一定差異，隨制備溫度升高，烷烴基缺失，甲基-CH3和亞甲基-CH2逐漸消失，形成了芳香環(huán)且芳香化程度增加。稻稈生物炭酸化后無機(jī)礦物SiO2吸收峰消失，官能團(tuán)種類并沒有發(fā)生變化，不同官能團(tuán)隨制備溫度變化規(guī)律仍與酸化前生物炭一致。

（2）比表面積及孔徑分析結(jié)果表明，制備溫度對(duì)生物炭的比表面積具有顯著影響，溫度升高有利于生物炭孔隙結(jié)構(gòu)的形成，隨著制備溫度升高，酸化前后的生物炭比表面積均增加，600 ℃為稻稈生物炭最大比表面積的最佳制備溫度。稻稈生物炭酸化前后孔結(jié)構(gòu)不變，主要為中孔。生物炭酸化處理后，比表面積顯著增大，總孔容也有所增加，微孔表面積減小，微孔數(shù)量減少。因此可以通過適當(dāng)提高制備溫度獲得較大比表面積的生物炭。

（3）制備溫度和酸可溶礦物質(zhì)對(duì)生物炭吸附能力均有一定影響，其中酸可溶礦物質(zhì)的影響更顯著。隨制備溫度的升高，未酸化和酸化生物炭的鎘吸附量均有所增加。未酸化稻稈生物炭對(duì)重金屬鎘具有較好的吸附效果，不同溫度條件下鎘吸附率均高于 75%。經(jīng)酸化處理后，鎘吸附率顯著下降，說明生物炭中的酸可溶礦物質(zhì)在鎘吸附過程中具有重要作用。因此可以提高制備溫度和增加生物炭礦物質(zhì)含量來獲取鎘吸附能力較高的生物炭。綜上所述，稻稈生物炭對(duì)重金屬鎘具有良好的吸附能力，可以用來吸附水體環(huán)境中的重金屬鎘，改良水體環(huán)境。

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Comparison of Surface Characteristics and Cadmium Solution Adsorption Capacity of Un-acidified or Acidified Bio-chars Prepared from Rice Straw under Different Temperatures

JIAN Minfei1,2*, GAO Kaifang2, YU Houping1, YANG Yan1
1. College of Life Science, Jiangxi Provincial Key Lab of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources, Nanchang 330022, China; 2. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China

In this paper, rice straw is used as the raw materials to be prepared for bio-chars by using oxygen limited cleavage methods under different pyrolysis temperatures included 300, 400, 500, 600, 700 ℃. And different bio-chars are acidified with hydrochloric acid and hydrofluoric acid. All kinds of characteristic indexes included surface functional groups, BET specific surface area and bore diameters of the different un-acidified or acidified bio-chars are detected and analyzed by using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), surface area and pore size analyzer and other modern analytical methods. For the sake of finding the best preparation temperature of the required bio-chars, we analyze the relationship between the preparation temperature and the surface properties of the bio-chars. In order to provide a scientific basis for bio-chars adsorption to the heavy metal pollution of cadmium in the water, we also study the contribution of the acid soluble minerals in bio-chars of cadmium adsorption and the influence of the preparation temperature to the ability of bio-char cadmium adsorption by using the results of bio-char acidification treatment and cadmium adsorption experiments. The results of FTIR indicate that there are some differences in the surface functional groups of the different bio-chars under different pyrolysis temperatures, which indicate that alkane deleted, methyl (-CH3) and methylene (-CH2) gradually disappeared, and aromatic nucleus formed and more aromatization increased by new aromatic compound with the increasing of pyrolysis temperature. In the different acidified bio-chars prepared from rice straw, the absorption peak of some inorganic minerals such as SiO2gradually disappeared. There is no significance difference in the surface functional groups between acidified bio-chars and un-acidified bio-chars, and the regularity of different functional groups changed along with temperature in the different acidified bio-chars is the same as that of the different un-acidified bio-chars. The results of the BET specific surface area measurement and pore size analysis show that the main pore structure of rice straw bio-chars are mainly mesopore, and the specific surface area and total pore volume increase and the mean pore size decrease with the rising of pyrolysis temperature, the BET specific surface area increase at the maximum value under the pyrolysis temperature of 600 ℃. The BET specific surface and the total pore capacity in the rice straw bio-chars increase significantly after acidification. Acid soluble mineral in the bio-chars were removed, the pore structure did not change, are mainly mesopore but the micropore surface area decreased after acidification. The results of cadmium adsorption experiments show that all the bio-chars prepared from rice straw have high adsorption capacity and the cadmium adsorption rate of all the bio-chars prepared under different temperatures are above 75%, and the cadmium adsorption capacity of the bio-chars increase as temperature rising. But cadmium adsorption capacity of the acidified bio-chars decrease significantly. Acid soluble mineral in bio-chars may have an important influence on the adsorption of cadmium solution.

rice straw bio-chars; acidified treatment; prepared temperature; surface properties; cadmium adsorption capacity

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.08.018

X132

A

1674-5906（2015）08-1375-06

簡(jiǎn)敏菲，高凱芳，余厚平，楊研. 不同溫度生物炭酸化前后的表面特性及鎘溶液吸附能力比較[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(8): 1375-1380.

JIAN Minfei, GAO Kaifang, YU Houping, YANG Yan. Comparison of Surface Characteristics and Cadmium Solution Adsorption Capacity of Un-acidified or Acidified Bio-chars Prepared from Rice Straw under Different Temperatures [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(8): 1375-1380.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41461042）；江西省教育廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（GJJ14242）；江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（YRD201412）

簡(jiǎn)敏菲(1969年生)，女，教授，博士，從事濕地生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)與污染生態(tài)修復(fù)研究。E-mail: jianminfei0914@163.com *通信作者。

2015-06-15