香蕉皮生物炭的制備及其吸附催化性能分析

龐 婭 江源康 廖沛涵

（長(zhǎng)沙學(xué)院生物與環(huán)境工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410000）

引言

生物炭是生物質(zhì)(如各種植物殘?bào)w、污泥、畜禽糞便等)在有限供氧的密閉環(huán)境中于相對(duì)較低的溫度條件下(＜700℃)熱解生成的一類富含碳素(C%＞60%)、性質(zhì)穩(wěn)定、具有不同程度芳香化的固態(tài)產(chǎn)物[1]。生物炭通常具有較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)。以各類農(nóng)業(yè)廢棄物為前體制備的生物炭在修復(fù)重金屬污染和有機(jī)物污染等方面表現(xiàn)出重要潛力[2]。大量理論研究與實(shí)踐應(yīng)用表明，生物炭有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源的循環(huán)利用，對(duì)于修復(fù)水污染、資源化利用農(nóng)業(yè)廢棄物和可持續(xù)農(nóng)業(yè)均具有重要意義[3-4]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 生物炭的制備方法

收集新鮮的香蕉皮用去離子水洗凈，放入烘箱，在105℃下烘至恒重，經(jīng)粉碎、過(guò)不同粒徑的篩子，將干香蕉皮顆粒密封存入干燥器內(nèi)備用。香蕉皮生物炭Banana Biochar用BB表示，KOH處理的生物炭用KOH-BB表示，摻氮氮元素的生物炭用N-BB表示

（1）BB:將香蕉皮粉末于800℃煅燒2h，具體升溫條件為5℃/min，升至800℃后，保持2h，等待自然冷卻。

（2）KOH-BB:4g香蕉皮粉末混合100mL 2mol/L KOH，于室溫160rpm震蕩24h后冷凍干燥，于800℃煅燒2h，再先后用2mol/L KOH和2mol/L HCl攪拌洗滌4h，用去離子水沖洗、干燥后儲(chǔ)存，具體升溫條件為5℃/min，升至800℃后，保持2h，等待自然冷卻后。

（3）N-BB:將0.1g KOH-BP與0.1g三聚氰胺加入到20mL乙醇中，超聲后攪拌，置于60℃烘干，再置于馬弗爐中煅燒（450℃1h+800℃ 1h），具體升溫條件為 5℃/min，氮?dú)鈼l件下，升至 800℃后，保持2h，等待自然冷卻后。

1.2 吸附催化實(shí)驗(yàn)

以制備的生物炭為吸附劑或者催化劑，加入到不同體積的濃度為100mg/L的環(huán)丙沙星溶液中。其中吸附操作中，加入的生物炭的量為0.01g；催化操作中，除加入0.01g的生物炭外，還加入了2mmol/L的過(guò)硫酸鉀。避光震蕩處理4h，過(guò)濾后測(cè)定濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物炭的表征

分析了材料的比表面積和孔徑，結(jié)果如表1所示

表1 香蕉皮生物炭比表面積和孔徑

2.2 生物炭吸附催化性能

圖1 三種生物炭吸附處理不同含量環(huán)丙沙星的效率

如圖1所示，KOH-BB對(duì)環(huán)丙沙星的去除率最好，對(duì)20mL的100mg/L的環(huán)丙沙星去除率可達(dá)99.63%，在30mL中去除率也達(dá)到了99.48%，而在50mL的原液中環(huán)丙沙星的去除率有95.45%。而N-BB對(duì)環(huán)丙沙星的去除率略差。未修飾的BB對(duì)環(huán)丙沙星的去除率最差，可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)化學(xué)改性的生物炭比表面積增大，利于吸附環(huán)丙沙星。

圖2 三種生物炭活化過(guò)硫酸鉀降解環(huán)丙沙星的效率

綜上比較圖2，N-BP對(duì)環(huán)丙沙星的催化降解效果是最好的，但是在本實(shí)驗(yàn)中催化和吸附是同時(shí)存在的，N-BP對(duì)50mL的原液去除率可達(dá)到97.68%，而且80mL的原液中去除率也達(dá)到了77.15%，對(duì)比KOH-BP對(duì)環(huán)丙沙星的各組催化降解效果顯得略好，其原因可能是香蕉皮生物炭N-BP摻雜N原子后，分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些變化，會(huì)有C-N鍵的形成，增加了生物炭的表面缺陷，而原BP對(duì)環(huán)丙沙星的催化降解效果是最差的。

結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)制備出香蕉皮生物炭，用于吸附以及催化降解水中環(huán)丙沙星。所述的香蕉皮生物炭材料制備方法簡(jiǎn)單易操作，所制得的材料也好保存。KOH改性的生物炭吸附劑0.01g對(duì)100mg/L的環(huán)丙沙星水溶液的吸附效果是最好的，震蕩混合4h后去除率達(dá)到了99.63%。而利用N-BB 0.01g作為催化劑加入到2mmol/L的過(guò)硫酸鉀作為氧化劑，震蕩混合4h后催化去除率污染物，達(dá)到了97.68%。