毛竹炭制備及改性條件對吸附水中Cu(Ⅱ)的影響

馬欣蕾 謝曉婧 錢小雨 高莉蘋 林少華

摘 要：為提高竹炭對水中Cu（Ⅱ）的吸附能力，研究了制備熱解溫度毛竹生物炭吸附Cu（Ⅱ）的影響，并對該溫度下的生物炭分別進行酸、堿改性。結(jié)果表明：熱解溫度為500℃所制備的竹炭對Cu（Ⅱ）的吸附效果較好，通過酸、堿改性后竹炭吸附Cu（Ⅱ）的效果明顯增強。

關(guān)鍵詞：生物炭; 熱解溫度; 堿改性; 酸改性

中圖分類號：X592? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）11-223-002

隨著社會工業(yè)的快速發(fā)展，水體污染問題引起了廣泛關(guān)注。銅是生物生長所必需的微量元素，但超過一定量會對人體和動植物帶來危害。用含銅廢水灌溉農(nóng)田，可使銅在土壤和農(nóng)作物中累積，會造成農(nóng)作物尤其是大麥和水稻生長不良，污染糧食籽粒^[2]。而過量的金屬銅也會影響人體造血細胞生長、抑制人體內(nèi)生物酶活動及分泌，可刺激消化系統(tǒng)，造成呼吸道刺激，胃腸道紊亂伴嘔吐，腹瀉和一種接觸性皮炎^[3]。

吸附法具有處理效率高、操作簡單、吸附劑來源廣和成本較低等優(yōu)點，是一種經(jīng)濟、有效和極具推廣應(yīng)用價值的重金屬廢水處理方法^[4]。生物炭是一種在缺氧環(huán)境下，利用農(nóng)林廢棄物等熱解制得的不溶性、高度芳香化、富含碳固體物質(zhì)。選用廉價的、處理后無二次污染的生物炭做吸附劑具有很好的應(yīng)用前景。

我國竹資源總量豐富，其中毛竹生長快、成材早、產(chǎn)量高，以其作為生物炭制備原料用于吸附水中重金屬，具有良好的經(jīng)濟性。研究確定吸附Cu（Ⅱ）的最佳毛竹生物炭制備溫度，并用KOH和HNO₃對該溫度下的生物炭進性改性，提高對水中Cu（Ⅱ）的吸附效果，可為毛竹資源化利用提供參考。

1.實驗部分

1.1實驗儀器及試劑

主要儀器：SG-GL1400管式爐、THZ-82水浴恒溫振蕩器、DZ47-60烘箱、精密pH計、電子天平。水中Cu（Ⅱ）濃度采用TAS-990SUPERAFG原子吸收分光光度計進行測定。

主要試劑：五水合硫酸銅溶液、氫氧化鉀溶液、硝酸溶液、均為分析純。

1.2竹炭制備與改性

1.2.1竹炭制備

本研究選擇3個熱解終溫（400℃、500℃、600℃），分別取過100目篩的100g毛竹粉末，以10℃/min的升溫速率加熱至熱解終溫，并在熱解終溫下保持1個小時?？刂普麄€過程中氮氣以100-120mL/min的速度連續(xù)穩(wěn)定的通入。將毛竹原料在3個不同熱解終溫制備得到的生物炭記為BC400、BC500、BC600。

1.2.2竹炭改性

堿改性時，取一定量最佳溫度下制備的竹炭用去離子水洗至中性后，取竹炭1g分別與不同濃度（0.5mol/L、1mol/L、2mol/L、4mol/L）的KOH溶液放于錐形瓶中，將其置于恒溫水浴振蕩器內(nèi)，以200r/min的轉(zhuǎn)速使竹炭與改性劑充分接觸反應(yīng)2h。酸改性時，取竹炭1g分別與不同濃度（質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、20%、30%）的稀硝酸混合，在相同轉(zhuǎn)速下竹炭與稀硝酸充分接觸6h。對竹炭進行酸改性。酸、堿改性后的竹炭置于60℃烘箱內(nèi)烘至24h，密封保存以備后續(xù)吸附實驗。堿改性生物炭用BC（溫度）-OH表示。酸改性生物炭用BC（溫度）-H表示。

1.3吸附實驗

本吸附實驗主要涉及3個不同熱解終溫制備得到的生物炭及酸和堿改性分別制備獲得的8組改性生物炭，Cu（Ⅱ）儲備液采用五水合硫酸銅配制，濃度為1000mg/L。

1.3.1不同熱解終溫制備的生物炭對Cu（Ⅱ）的吸附

分別準確稱取0.5gBC400、BC500、BC600各一份于250ml錐形瓶中，依次加入10mg/L的Cu（Ⅱ）溶液30mL（pH=6），將錐形瓶放入轉(zhuǎn)速為150r/min，溫度為25℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱振蕩，震蕩24h后取上清液過微孔濾膜，測定溶液中Cu（Ⅱ）濃度，并計算平均去除率。

1.3.2改性生物炭對Cu（Ⅱ）的吸附

分別稱取不同改性條件下制得的堿改性樣品0.2g于250mL錐形瓶中，依次加一定體積初始濃度為的20mg/L的Cu（Ⅱ）溶液，pH=6，再將錐形瓶放入轉(zhuǎn)速為150r/min，溫度為25℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱振蕩，震蕩24h后取上清液過微孔濾膜，測定溶液中Cu（Ⅱ）濃度，并計算去除率。

2.結(jié)果與討論

2.1最佳熱解溫度的確定

熱解溫度分別為400、500、600℃制備的生物炭對Cu（Ⅱ）吸附效果的影響見圖1。從圖1可以看出，溫度對竹炭吸附Cu（Ⅱ）存在明顯影響。500℃條件下制備的生物炭對Cu（Ⅱ）的吸附效果最好，吸附去除率可達84.97%，而400℃、600℃下去除率分別為65.36%和42.35%。這和相關(guān)文獻中采用其他材質(zhì)制備熱解生物炭規(guī)律一致。所以，確定選擇BC500進行改性實驗。

2.2不同改性條件的影響

2.2.1堿改性

為了研究改性條件對改性后活性炭的吸附效果的影響，在加入Cu（Ⅱ）溶液體積為50ml，分別對以0.5、1、2、4mol/L的KOH溶液改性的生物炭進行吸附試驗，并以未改性樣品作為參照，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在該實驗條件下，BC500-OH對Cu（Ⅱ）吸附去除率由未改性時的13.04%，提高到0.5mol/L的KOH改性時的94.72%了，并穩(wěn)定維持在94%附近，說明通過堿改性可以大大提高竹炭對Cu（Ⅱ）吸附效果。基于用藥劑經(jīng)濟性考慮，最佳堿處理濃度條件可確定為：KOH濃度為0.5mol/L。

2.2.2酸改性

在加入Cu（Ⅱ）溶液體積為20ml條件下，分別對以質(zhì)量分數(shù)為5%、10%、20%、30%的HNO3溶液改性的生物炭進行吸附試驗，并以未改性樣品做參考。結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，BC500-H對Cu（Ⅱ）吸附去除率由原來的26.77%先隨著改性HNO3濃度提高到5%、10%而出現(xiàn)降低，后又隨著改性HNO3濃度提高到20%、30%而出現(xiàn)升高，并保持在79.62%左右，趨于穩(wěn)定。這說明較低改性濃度時，改性效果不佳，甚至可能出現(xiàn)性能下降現(xiàn)象。因此，最佳酸改性條件可確定為： HNO3溶液質(zhì)量分數(shù)為20%?？紤]到所投加的Cu（Ⅱ）溶液體積為20ml低于堿改性實驗時的50ml，且最好吸附效果低于堿改性最好吸附效果，可以知道酸改性效果差于堿改性效果。

3.結(jié)論

（1）熱解終溫在500℃下所制備的毛竹生物炭對Cu（Ⅱ）的吸附效果最佳。

（2）不同改性條件對毛竹生物炭吸附Cu（Ⅱ）的效果存在明顯影響，其中在堿改性劑濃度為0.5mol/L時，吸附效果最佳，吸附去除率為94.72%。酸改性劑濃度質(zhì)量分數(shù)為20%時吸附效果最佳，吸附率提高到79.62%。

（3）對于Cu（Ⅱ）的吸附，堿改性毛竹生物炭吸附效果整體優(yōu)于酸改性毛竹生物炭。

本研究受南京林業(yè)大學大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目（2020NFUSPITP0370）資助

參考文獻：

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[2]李玉慶.林業(yè)廢棄物對水中污染物吸附性能的研究[D]遼寧：沈陽理工大學，2013

[3]Wang J， Cui H， Cui C， et al. Biosorption of copper（II） from aqueous solutions by Aspergillus niger -treated rice straw[J] Ecological Engineering， 2016，95：793-799

[4]劉金燕，劉立華，薛建榮，呂超強，李童，胡博強.重金屬廢水吸附處理的研究進展[J]環(huán)境化學，2018，37（09）：2016-2024

作者簡介：馬欣蕾，2000年生，女，云南昆明人，南京林業(yè)大學給排水科學與工程專業(yè)本科生。