影響生物質(zhì)碳材料吸附性能的關(guān)鍵因素

武大鵬 穆伊芳

摘? 要：近年來(lái)，生物質(zhì)碳材料無(wú)論是天然的還是改性的，都被成功地用于去除水相中的有機(jī)染料。文章綜述了在吸附有機(jī)染料過(guò)程中影響生物炭整體吸附效率的關(guān)鍵因素（溶液pH、生物炭用量以及溶液初始濃度等），有助于研究人員更好地開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：生物炭;吸附;有機(jī)染料

中圖分類號(hào)：O647? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Key Factors Affecting the Adsorption Performance of Biochar

Wu Dapeng? Mu Yifang

（School of Chemistry and Chemical Engineering，Henan Normal University，Henan，Xinxiang，453007）

Abstract：In recent years，biomass carbon materials，whether natural or modified，have been successfully used to remove organic dyes in the aqueous phase. In this paper，the key factors affecting the overall adsorption efficiency of biochar（solution pH，amount of biochar and initial concentration of solution）were reviewed.It is helpful for researchers to carry out scientific experiments better.

Key words：Biochar;Adsorbent;Organic dye

環(huán)境污染是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，它對(duì)人類健康、植物和動(dòng)物等都產(chǎn)生了不利影響。染料因?yàn)樗纳V完整、顏色鮮艷、牢度好被應(yīng)用于紡織和印染等重工業(yè)中[1]。通常，一旦染料發(fā)揮了它們的作用，它們中的大多數(shù)就被丟棄了，沒(méi)有經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的處理就進(jìn)入了水體，這樣就會(huì)產(chǎn)生大量的有害廢水。有害廢水中的染料分子（尤其是偶氮染料）對(duì)生物具有致畸、致癌、致突變作用并通過(guò)食物鏈等方式對(duì)人體健康造成危害。染料主要是以芳烴和雜環(huán)化合物為母體，并帶有顯色基團(tuán)和極性基團(tuán)，在自然條件下很難降解。如何從廢水中去除這些染料成為一項(xiàng)重大的環(huán)境挑戰(zhàn)[2]。吸附法以其成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便成為應(yīng)用最為廣泛的處理方法[3]。目前，活性炭、沸石、粘土礦物等高分子材料已被用作去除染料的吸附劑[4]。其中，生物質(zhì)活性炭具有低成本、多孔、高表面活性、和高離子交換容量的特點(diǎn)，作為一種有效的吸附劑正在吸引著人們極大的研究興趣[5]。生物炭是生物質(zhì)在厭氧或缺氧條件下熱處理而得到的一種固體碳材料。制備生物質(zhì)材料的來(lái)源廣泛且成本較低。例如農(nóng)業(yè)廢物（稻草和蘆葦?shù)龋?、城市廢棄物（豆渣和香蕉皮）、園林廢棄物（樹(shù)葉和象草等）等都被用于制備生物質(zhì)碳材料，并應(yīng)用于水體系中染料的去除[6]。利用這些大量的生物質(zhì)廢棄物作為有效的吸附劑，不僅實(shí)現(xiàn)了廢棄物資源化處理，也為水和廢水處理系統(tǒng)提供了可持續(xù)的、成本效益高的解決方案。筆者綜述了在吸附陰離子和陽(yáng)離子染料的過(guò)程中影響生物炭整體吸附效率的關(guān)鍵因素，以便更高效地確定生物炭材料的吸附性能。

一、溶液pH對(duì)吸附性能的影響

溶液pH在吸附過(guò)程中起著非常重要的作用，特別是對(duì)染料的吸附。溶液pH的變化，對(duì)吸附劑表面結(jié)合位點(diǎn)的解離和吸附質(zhì)的形態(tài)、可吸附性均有影響。在高pH溶液中，溶液界面的正電荷減少，生物炭吸附劑表面呈現(xiàn)負(fù)電荷，陽(yáng)離子染料的吸附量增加，陰離子染料的吸附量減少。而在低pH溶液中，溶液界面的正電荷增加，生物炭吸附劑表面呈正電荷，導(dǎo)致陰離子染料吸附增加，陽(yáng)離子染料吸附減少。Hameed B H等[7]在pH為2-4之間，研究了香蕉莖對(duì)亞甲基藍(lán)染料（陽(yáng)離子染料）的吸附性能，發(fā)現(xiàn)在pH=2時(shí)亞甲基藍(lán)的吸附量最小，在pH=4時(shí)最大。隨著pH值的增大，陽(yáng)離子染料在吸附劑表面的吸附量趨于增大，陰離子染料吸附量趨于減小，這主要是由于染料與吸附劑表面有效電荷的靜電相互作用?？偟膩?lái)說(shuō)，在低pH溶液中，陽(yáng)離子染料的去除率會(huì)降低，而陰離子染料的去除率會(huì)增加;相反，在高pH溶液中，陽(yáng)離子染料的去除率會(huì)增加，而陰離子染料的去除率會(huì)降低。

二、初始濃度對(duì)吸附性能的影響

染料的去除率高度依賴于染料濃度的初始量。在水溶液中，吸附劑染料的初始濃度為克服吸附劑在水溶液和固相之間的所有傳質(zhì)阻力提供了驅(qū)動(dòng)力。染料去除率取決于染料與吸附劑表面有效結(jié)合位點(diǎn)。Li X等[8]以廢稻草為原料，以高錳酸鉀為活化劑制得生物炭材料，并將其用于除去水體中的孔雀石綠染料。當(dāng)孔雀石綠的初始濃度從10毫克/升上升到150毫克/升 ，該生物炭吸附劑對(duì)染料的去除率從86.86%下降至41.58%。這是由于染料濃度較低時(shí)，生物炭中有足夠的孔來(lái)吸收染料分子，有足夠的活性位點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。當(dāng)濃度逐漸提高，孔的吸附能力趨于飽和，吸附位點(diǎn)基本都被染料分子所覆蓋，從而喪失吸附能力。

三、生物炭添加量對(duì)吸附性能的影響

確定吸附劑添加量對(duì)吸附效果的影響，有利于實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，避免添加量不足對(duì)吸附劑的吸附性能產(chǎn)生影響。吸附劑用量對(duì)吸附過(guò)程的影響可以通過(guò)將不同質(zhì)量的吸附劑加入固定的初始染料濃度中，然后一起震蕩至平衡時(shí)間來(lái)進(jìn)行確定。Adekola F A等[9]研究了車前草活性生物炭對(duì)羅丹明B染料的吸附行為。在生物炭用量在0.1毫克/升至0.3毫克/升之間時(shí)，吸附劑用量的增加，導(dǎo)致染料去除率增加，當(dāng)吸附劑用量進(jìn)一步增加時(shí)，去除率沒(méi)有繼續(xù)增加。這是由于吸附劑粒子增多，吸附劑重疊，導(dǎo)致部分吸附位點(diǎn)被覆蓋，去除率達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。Raj K R等[10]在生物材料用量從1.0g到6.0g，研究了生物炭用量對(duì)于亞甲基藍(lán)吸附性能的影響。其吸附率隨生物材料用量的增加而增加，從1.0g增加到4.0g。然而，從4.0g以后，進(jìn)一步增加生物材料的用量，吸附趨勢(shì)沒(méi)有明顯的增加。這可能是由于在現(xiàn)有的操作條件下，吸附劑與吸附劑之間達(dá)到了平衡，使得吸附劑不能進(jìn)一步吸附。研究吸附劑用量的影響，可以了解吸附劑的有效性，從而從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度識(shí)別生物炭材料的吸附能力。

四、反應(yīng)溫度對(duì)吸附性能的影響

溶液溫度通過(guò)影響吸附過(guò)程的平衡和速率對(duì)吸附過(guò)程有重要影響。無(wú)論吸附過(guò)程是放熱過(guò)程還是吸熱過(guò)程，溫度都是影響生物炭材料吸附能力的一個(gè)重要因素。Acemiolu B等[11]研究了不同溫度（20℃～50℃）下KOH改性的花生殼生物炭吸附劑對(duì)馬唑橙染料的吸附能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其為吸熱反應(yīng)，隨著溫度的升高，去除率明顯增加，溫度為50℃時(shí)吸附量最大，20℃時(shí)吸附量最小。當(dāng)吸附過(guò)程為放熱過(guò)程時(shí)，去除率隨溫度升高而減小。隨著溫度的升高，吸附能力的下降可能是由于溫度的升高導(dǎo)致吸附物質(zhì)與吸附表面活性位點(diǎn)之間的吸附力下降。當(dāng)吸附過(guò)程為吸熱過(guò)程時(shí)，去除率隨溫度升高而增大。這是由于隨著溫度的升高而增加，染料分子的流動(dòng)性增加，吸附活性位點(diǎn)的數(shù)量也增加。但當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，溫度繼續(xù)提高生物炭的去除率變化范圍不大，此時(shí)為最佳反應(yīng)溫度。確定最佳反應(yīng)溫度，有利于節(jié)約能源。

五、反應(yīng)時(shí)間對(duì)吸附性能的影響

研究反應(yīng)時(shí)間的影響在吸附研究中是十分重要的。Raj K R等[10]以辣木籽粉為原料制得了生物炭并研究了其對(duì)于亞甲基藍(lán)和剛果紅的吸附能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在反應(yīng)初期，兩種染料的去除率隨著時(shí)間逐漸增加，最后在40分鐘達(dá)到最優(yōu)值（平衡點(diǎn)）。一旦達(dá)到平衡，亞甲基藍(lán)和剛果紅的去除率沒(méi)有隨著時(shí)間的改變進(jìn)一步增加。這是因?yàn)榉磻?yīng)初期吸附劑的微孔結(jié)構(gòu)和外表面協(xié)同吸附并提供豐富的位點(diǎn)。同時(shí)，吸附劑界面染料分子的濃度差推動(dòng)了傳質(zhì)速率。但當(dāng)反應(yīng)時(shí)間逐漸變長(zhǎng)時(shí)，吸附位點(diǎn)逐漸飽和，溶液的濃度差也越來(lái)越小，吸附過(guò)程變得緩慢，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

六、結(jié)語(yǔ)

生物炭材料具有良好的孔道結(jié)構(gòu)，較高的比表面積，豐富的多層分孔結(jié)構(gòu)以及多種官能團(tuán)等特點(diǎn)，有利于吸附有機(jī)染料。在復(fù)雜的外界環(huán)境條件下，多種因素都會(huì)對(duì)吸附材料的去除效果產(chǎn)生不利影響。了解影響生物炭的吸附性能的主要因素對(duì)評(píng)價(jià)生物炭在吸附研究中的有效性具有重要意義。筆者綜述了溶液pH、生物炭添加量等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)生物炭吸附有機(jī)染料的影響，通過(guò)控制這些實(shí)驗(yàn)條件可以獲得高的去除率，同時(shí)降低操作和生產(chǎn)成本。

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