基于響應曲面分析的生物炭制備及其對重金屬吸附作用研究

戴佩彬

摘要：選取典型農(nóng)作物廢棄物——水稻秸稈為生物質(zhì)炭原料，采用響應曲面分析方法，研究生物炭對農(nóng)田土壤典型重金屬污染物Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附作用。結(jié)果表明：Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化溫度有著明顯的二次拋物線關系；Cd2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化時間也有著明顯的二次拋物線關系，但Cu2+ 的吸附率隨生物炭的碳化時間增加而提高。根據(jù)不同碳化條件對重金屬總體吸附效果的響應曲面可以預測，最佳模型的碳化條件為碳化時間3 h、碳化溫度447 ℃。

關鍵詞：生物質(zhì)炭；重金屬；吸附；響應曲面分析

中圖分類號：X505 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）02-0047-03

生物炭（Biochar）是生物質(zhì)在缺氧或無氧條件下，經(jīng)較高溫度（<700 ℃）熱裂解形成的一類含碳的、穩(wěn)定的、高度芳香化的固型材料，具有多孔性、比表面積大、表面吸附能力強等特性，其作為污染土壤的一種化學鈍化劑，在農(nóng)田重金屬污染土壤修復與改良方面具有廣闊的應用前景。然而，由于生物炭來源廣泛，且制備及改性工藝多樣，所形成的生物炭理化性質(zhì)各異，造成其對不同重金屬的修復效果不盡相同。目前，對生物炭大量應用于修復重金屬污染土壤的效果與可行性仍未形成統(tǒng)一。本課題選取典型農(nóng)作物廢棄物水稻秸稈為生物炭原料，采用響應曲面分析方法，研究生物炭對農(nóng)田土壤典型重金屬污染物Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附作用，以優(yōu)化制備工藝，篩選出最優(yōu)生物炭，為后續(xù)大量應用生物炭修復農(nóng)田土壤重金屬污染提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試生物炭：以水稻秸稈為原料，分別在300，400，500 ℃條件下碳化1，2，3 h（共9個組合），高溫裂解制備而成。研磨后過100目篩，儲存在干燥器中備用。

1.2 試驗方法

分別在100 mL錐形瓶中加入50 mL一定濃度的Cd2+，Cu2+，Zn2+溶液，再加入0.1 g不同制備條件下的生物炭粉末，用1% HNO3和1% NaOH溶液調(diào)節(jié)重金屬溶液的初始 pH值為5.5。在25 ℃恒溫搖床中振蕩24 h，轉(zhuǎn)速為150 r/min，抽濾，采用ICP-OES測定剩余溶液中Cd2+，Cu2+，Zn2+的濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用響應曲面法對不同碳化條件下生物炭對重金屬的吸附率進行分析，得出最佳碳化條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 中心組合試驗結(jié)果

采用響應曲面法分析確定生物炭最佳制備條件，利用Design Expert 8.0軟件進行CCD優(yōu)化設計，選取2個因素：A碳化時間（1，2，3 h）和B碳化溫度（300，400，500 ℃）。碳化條件的中心組合因素水平見表1，得到13組試驗條件，結(jié)果見表2。

2.2 不同碳化條件對各重金屬吸附率的影響

根據(jù)中心組合試驗結(jié)果建立不同碳化條件對各重金屬吸附率的模型。為了直觀地表達不同碳化時間和碳化溫度對各重金屬吸附的交互作用，建立模型的響應曲面圖（如圖1所示）。

由圖1可以看出：不同碳化時間和碳化溫度下制備的生物炭對Cd2+和Zn2+的吸附具有明顯的二次拋物線關系，且兩者具有明顯的交互作用；而對Cu2+的吸附率與碳化溫度有明顯的二次拋物線關系，且隨著碳化時間的增加而提高。

不同碳化條件對重金屬總體吸附率的響應曲面圖如圖2所示。

由圖2可以看出：各重金屬的吸附率與碳化時間有明顯的二次拋物線關系；同時，隨著碳化時間的增加，吸附率不斷提高。

2.3 響應曲面最佳模型條件及其預測結(jié)果

以往的研究表明，快速加熱獲得的生物炭較少，而慢速熱解可以生產(chǎn)更多的生物炭，因此，碳化時間的延長能夠提高得炭率，從而進一步提高生物炭對重金屬的吸附率。此外，高溫熱裂解比低溫熱裂解的生物炭具有較高pH值、灰分含量、生物學穩(wěn)定性及含碳量，但高溫熱裂解保留原生物質(zhì)中的碳比低溫熱裂解要少，而生物炭的孔隙度、比表面積及CEC只有在一定溫度范圍內(nèi)熱裂解才能獲得最大值，因此，生物炭的碳化溫度并非越高越好。

通過響應曲面優(yōu)化分析可得污染土壤中各重金屬吸附的最佳模型條件為：碳化時間3 h，碳化溫度447 ℃。各重金屬在該碳化條件下吸附率的預測值見表3。該模型對重金屬吸附率的可信度達0.977。

3 結(jié)論

由響應曲面分析可知，Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化溫度有著明顯的二次拋物線關系；Cd2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化時間也有著明顯的二次拋物線關系，但Cu2+的吸附率隨生物炭的碳化時間增加而提高。根據(jù)不同碳化條件對重金屬總體吸附效果的響應曲面可以預測，最佳模型的碳化條件為碳化時間3 h、碳化溫度447 ℃。

參考文獻

[1] 戴靜，劉陽生.四種原料熱解產(chǎn)生的生物炭對Pb2+和Cd2+的吸附特性研究[J].北京大學學報：自然科學版，2013，49（6）：1 075-1 082.

[2] 蔣艷艷.生物炭吸附固定鎘、銅效果的研究[D].荊州：長江大學，2014.

[3] 王瑞峰，趙立欣，沈玉君，等.生物炭制備及其對土壤理化性質(zhì)影響的研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報，2015，17（2）：126-133.

[4] 蘭天，張輝，劉源，等.玉米秸稈生物炭對Pb2+、Cu2+的吸附特征與機制[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2016，32（2）：368-375.

[5] 王永菲，王成國.響應面法的理論與應用[J].中央民族大學學報：自然科學版，2005，14（3）：236-240.

[6] 劉國成.生物炭對水體和土壤環(huán)境中重金屬鉛的固持[D].青島：中國海洋大學，2014.

[7] 何緒生，耿增超，佘雕，等.生物炭生產(chǎn)與農(nóng)用的意義及國內(nèi)外動態(tài)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27（2）：1-7.