椰殼生物炭對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附性能研究

彭碧媛，康蒙蒙，江 璇，王海珊，季玉祥

（海南醫(yī)學(xué)院熱帶醫(yī)學(xué)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室，海口 571199）

椰殼生物炭對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附性能研究

彭碧媛，康蒙蒙，江 璇，王海珊，季玉祥

（海南醫(yī)學(xué)院熱帶醫(yī)學(xué)與檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室，?？?571199）

椰子是我國(guó)熱帶地區(qū)的典型經(jīng)濟(jì)作物，而椰殼則是一種豐富的熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物資源。本文利用椰殼為原材料制備生物炭，通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究其對(duì)水中Cr（Ⅵ）的最佳吸附條件。結(jié)果表明，在溫度為30℃、pH值為1時(shí)，樣品B650在6 h時(shí)對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附達(dá)到基本平衡，其最佳投加量為16 mg/L，最大吸附量為5.024 mg/L。該研究為農(nóng)林廢棄物資源化用于廢水中重金屬處理提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

椰殼；生物炭；Cr（Ⅵ）；吸附

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，鉻污染日趨嚴(yán)重，重金屬鉻不能被生物降解，卻能沿著食物鏈不斷富集，最后進(jìn)入人體，對(duì)人體健康造成危害[1]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者十分關(guān)注含Cr（Ⅵ）廢水的處理技術(shù)。目前，處理含鉻廢水的主要方法有絮凝沉淀法、吸附法、膜分離技術(shù)、離子交換法、電解法等[2]。這些處理方法在操作費(fèi)用、處理成本和效果等方面均有各自的優(yōu)勢(shì)和不足[3]。

生物炭是生物有機(jī)材料（生物質(zhì)）在缺氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫?zé)峤夂笊傻母惶疾牧?，其具有孔隙度好、比表面積大、吸附能力強(qiáng)和生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，對(duì)有機(jī)污染物和重金屬等具有較強(qiáng)的吸附能力，漸漸被人們應(yīng)用于治理環(huán)境污染[4]。因此，生物炭具有作為環(huán)保型吸附劑大規(guī)模使用的潛力。制備生物炭的材料來(lái)源廣泛，前人已采用的吸附Cr（Ⅵ）原材料主要包括稻殼、豆角秸稈、茶葉渣、小麥秸稈、玉米秸稈等[5]。在制備的過(guò)程中，材料和熱解條件的不同，制備的生物炭在產(chǎn)率和性質(zhì)等方面均有較大差異[6]。

椰子是我國(guó)典型的熱帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物，隨著椰子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，椰殼逐漸成為一種豐富的熱帶農(nóng)業(yè)廢棄物資源。然而，利用椰殼廢棄物資源制備生物炭，并研究其對(duì)重金屬吸附的研究較少。為拓展椰殼廢棄物的資源化利用，本文通過(guò)在不同溫度下熱解炭化椰殼制備生物炭，通過(guò)靜態(tài)吸附試驗(yàn)，研究其對(duì)水中Cr（Ⅵ）吸附效果的影響及機(jī)制，以期為農(nóng)林廢棄物資源化用于工業(yè)廢水重金屬處理提供理論依據(jù)，也為熱帶重金屬污染水體的修復(fù)與防治提供參考。

1 材料和方法

1.1 椰殼生物炭的制備

筆者選用海南來(lái)源豐富的農(nóng)林廢棄物椰殼為原材料，敲碎至大小1 cm×1 cm，洗凈烘干后置于100 mL坩堝內(nèi)，用錫箔紙密封置于馬弗爐中，采用限氧升溫碳化法進(jìn)行制備：先30 min升溫至330℃，恒溫60 min，再以每10℃/min速率分別升溫至450℃、550℃和650℃，恒溫150 min，冷卻至室溫后取出，這些樣品分別標(biāo)記為B450、B550和B650。然后用研缽研磨均勻，再過(guò)100目標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩，成品儲(chǔ)存于干燥的樣品袋，然后放置于干燥器中，待用。

1.2 試驗(yàn)儀器

可見(jiàn)分光光度計(jì)（722型）；電子精密天平（GH-200）；程序控溫器（AI-708P）；馬弗爐（JHZ-10-12）；隔膜真空泵（GM-1.0A）

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 投加量吸附試驗(yàn)

分別稱(chēng)取不同質(zhì)量（0.1 g、0.2 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g、1.2 g）粒徑過(guò)100目的3種生物炭，分別投加到25 mL初始質(zhì)量濃度為45 mg/L的Cr（Ⅵ）溶液中，用0.1 mol/L NaOH溶液和0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH為2.0±0.1，在30℃溫度下以300 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫震蕩10 h，經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾，過(guò)濾液用二苯碳酰二肼分光光度法測(cè)定濾液中Cr（Ⅵ）的濃度，計(jì)算吸附量和去除率。

椰殼生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附效果用吸附量qt和去除率E來(lái)衡量，計(jì)算公式如下：

式中：qt為吸附時(shí)間為t時(shí)生物炭吸附Cr（Ⅵ）吸附量，mg/g；E為去除率；C0為吸附前溶液中Cr（Ⅵ）濃度，mg/L；Ct為吸附t時(shí)刻溶液中Cr（Ⅵ）濃度，mg/L；V為加入Cr（Ⅵ）溶液的體積，L；W為投加生物炭的質(zhì)量，g。

1.3.2 不同Cr（Ⅵ）初始濃度對(duì)吸附效果的影響

分別稱(chēng)取0.2 g粒徑過(guò)100目的3種椰殼生物炭，投加到25 mL不同Cr（Ⅵ）濃度的溶液中（10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L、25 mg/L、30 mg/L、35 mg/L、40 mg/L、45 mg/L、50 mg/L），用0.1 mol/L NaOH溶液和0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH為2.0±0.1，在30℃下以300 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫震蕩10 h，過(guò)濾測(cè)定。

1.3.3 吸附時(shí)間對(duì)吸附效果的影響

分別稱(chēng)取0.2 g粒徑過(guò)100目的3種椰殼生物炭，分別投加到25 mL初始質(zhì)量濃度為45 mg/L的Cr（Ⅵ）溶液中，用0.1 mol/L NaOH溶液和0.1 mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)pH為2.0±0.1，在30℃下以300 r/min的轉(zhuǎn)速分別恒溫震蕩1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h、7 h、8 h，過(guò)濾測(cè)定。

1.3.4 初始pH值對(duì)吸附效果的影響

分別稱(chēng)取0.2 g粒徑過(guò)100目的3種椰殼生物炭，分別投加到25mL初始質(zhì)量濃度為45 mg/L的Cr（Ⅵ）溶液中，用0.1mol/L NaOH溶液和0.1mol/L HCl溶液調(diào)節(jié)不同的pH（1、2、3、4、5、6、7、8），在30℃下以300 r/min的轉(zhuǎn)速恒溫震蕩10 h，過(guò)濾測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次重復(fù)，數(shù)據(jù)取三次試驗(yàn)的平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.0、Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同Cr（Ⅵ）初始濃度對(duì)吸附Cr（Ⅵ）的影響

樣品B450、B550和B650對(duì)不同Cr（Ⅵ）初始濃度吸附量的影響如圖1所示。可以看出，B450、B550和B650對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附量先逐漸增加，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)反而有所下降。這是因?yàn)樯锾客都恿恳欢〞r(shí)，提供的吸附點(diǎn)位數(shù)一定，隨著溶液中Cr（Ⅵ）初始濃度的增加，吸附量也會(huì)增加，但吸附達(dá)到飽和，會(huì)制約吸附過(guò)程的進(jìn)一步進(jìn)行，吸附量便會(huì)隨之降低[7]。其中，在B650下，溶液初始濃度為45 mg/L時(shí)，最大吸附量為4.179 mg/g；在B550下，溶液初始濃度為50 mg/L時(shí)，最大吸附量為4.026 mg/g；在B450下，溶液初始濃度為40 mg/L時(shí)，最大吸附量為3.059 mg/g。

圖1 初始Cr（Ⅵ）濃度對(duì)生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影響

2.2 生物炭投加量對(duì)吸附Cr（Ⅵ）的影響

3種不同溫度下制備的椰殼生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）吸附量和去除率的影響如圖2所示。當(dāng)溶液Cr（Ⅵ）濃度為45 mg/L時(shí)，3種生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）的去除率都隨著投加量的增加而增加，主要是由于生物炭投加量增加后，總官能團(tuán)數(shù)和有效的吸附點(diǎn)位增加[8]。但是，3種生物炭對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附量都隨著投加量的增加而降低，當(dāng)B450、B550和B650投加量從4 g/L增加到32 g/L時(shí)，吸附量分別從2.689 mg/g、3.528 mg/g、4.189 mg/g減少到0.835 mg/g、1.037 mg/g、0.931 mg/g，這可能與吸附劑的溶解性、結(jié)合位點(diǎn)之間的靜電感應(yīng)和排斥作用有關(guān)[9]。綜合考慮3種生物炭的投加量對(duì)Cr（Ⅵ）吸附量和去除率的影響，確定B650在投加量16 g/L時(shí)為最佳投加量。

圖2 生物炭投加量對(duì)Cr（Ⅵ）吸附量和去除率的影響

2.2 不同吸附時(shí)間對(duì)Cr（Ⅵ）吸附效果的影響

3種不同溫度下制備的椰殼生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）吸附量隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。B450、B550和B650對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附量在1～6 h時(shí)均隨著吸附時(shí)間的增加而增加，6 h后維持在一定水平，保持穩(wěn)定。開(kāi)始吸附時(shí)，生物炭表面的吸附點(diǎn)位比較多，但生物炭的吸附點(diǎn)位是有限的，隨著吸附點(diǎn)位逐漸達(dá)到飽和，吸附率取決于Cr（Ⅵ）從生物炭外部進(jìn)入內(nèi)部點(diǎn)位的速度[10]。結(jié)果表明，在相同的吸附時(shí)間下，3種生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）的吸附量大小順序?yàn)锽650＞B550＞B450。由試驗(yàn)結(jié)果可知，B650在吸附時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附效果最佳。

圖3 生物炭對(duì)Cr（VI）的吸附量隨時(shí)間的變化

2.4 初始pH值對(duì)吸附Cr（Ⅵ）的影響

溶液不同初始pH值對(duì)B450、B550和B650吸附Cr（Ⅵ）去除率的影響如圖3所示?？梢钥闯觯?種生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）的去除率與溶液的pH值密切相關(guān)，3種生物炭在pH為1時(shí)去除率最大；當(dāng)pH在1～4時(shí)，隨著pH升高，去除率迅速下降；當(dāng)pH在4～8時(shí)，去除率維持在較低水平，基本不變。其主要原因是pH值對(duì)水溶液中Cr（Ⅵ）的存在形態(tài)有直接影響，不同的存在形態(tài)使得靜電吸引力、吸附點(diǎn)位占據(jù)等不同使得吸附效果不同[11]。因此，當(dāng)溶液pH值較低時(shí)，椰殼生物炭對(duì)Cr（Ⅵ）有較好的吸附效果。

圖5 溶液初始pH值對(duì)生物炭吸附Cr（Ⅵ）的影響

3 結(jié)論

隨著熱解溫度的升高，椰殼生物炭的灰分含量增加，其炭化差率逐漸降低。不同溫度下制備的3種椰殼生物炭對(duì)水中Cr（Ⅵ）均有較好的吸附效果，相同條件下其吸附量B650＞B550＞B450。其中，在溫度為30℃、pH值為1條件下，當(dāng)吸附時(shí)間達(dá)到6 h時(shí)，B650對(duì)水中Cr（Ⅵ）的吸附基本達(dá)到平衡，其最佳投加量為16 mg/L，最大吸附量為5.024 mg/L。

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Adsorption of Cr (Ⅵ) on Coconut Shell Biochar in Water

Peng Biyuan,Kang Mengmeng,Jiang Xuan,Wang Haishan,Ji Yuxiang
(Laboratory of Environment Engineering,School of Tropical and Laboratory Medicine,Hainan Medical University,Haikou 571199,China)

Coconut is a typical cash crop in tropical regions of China.Coconut shell is a rich tropical agricultural waste resource.In this paper,biochar was prepared by using coconut shell as raw material,and the optimum adsorption conditions for Cr (Ⅵ) in water were studied by static adsorption test.The results showed that the adsorption of Cr (Ⅵ) in water of sample B650 reached a basic equilibrium within 6 hours at a temperature of 30℃ and a pH value of 1,with the best dosage of 16 mg/L and the maximum adsorption capacity of 5.024 mg/L.The research provided theoretical basis and technical support for the reuse of agricultural and forestry wastes in the treatment of heavy metals in wastewater.

coconut shell; biochar; Cr (Ⅵ); adsorption

X703.1

A

1008-9500(2017)11-0031-04

2017-09-18

本文系國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：81660356）、海南省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：Hnky2016-28）、海南醫(yī)學(xué)院科研培育基金（項(xiàng)目編號(hào)：HY2012-015）、國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：201611810053）和海南醫(yī)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：HYCX2015004）的階段性研究成果之一。

彭碧媛（1994-），女，安徽淮南人，本科，從事環(huán)境污染物的分析和檢測(cè)工作。

季玉祥，Email：jyxhn@qq.com