稻殼、花生殼、大豆中生物炭去除水體中重金屬離子的效果比較研究

[摘 要] 通過研究總結(jié)不同生物質(zhì)原料在一定熱解溫度下熱解得到的生物炭對(duì)水體中各重金屬離子的吸附效果，以歸納生物炭去除水體重金屬的去除機(jī)制。結(jié)果表明，不同生物質(zhì)來源的生物炭基本上能很好地吸附水體中的各重金屬離子，顯著的降低了水體中各重金屬離子的濃度，歸因于水溶液的初始pH值和各生物炭的理化性質(zhì)，如灰分含量、pH值及比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)等，從而使水體中重金屬離子濃度顯著降低。

[關(guān)鍵詞] 生物炭 重金屬離子 吸附

[中圖分類號(hào)] S131 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] B [文章編號(hào)] 1003-1650（2016）09-0145-01

引言

近年來，我國水系受到嚴(yán)重地污染，其中，河流水體中重金屬污染受到了人們的廣泛關(guān)注，歸因于重金屬的毒性特點(diǎn)以及在環(huán)境、動(dòng)植物乃至人體中的累積效應(yīng)[1]，我國是農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物數(shù)量巨大，如果對(duì)其不進(jìn)行妥善處理，會(huì)嚴(yán)重地造成環(huán)境污染，如秸稈焚燒所帶來的大氣污染，以及資源浪費(fèi)。而且，我國的其他生物質(zhì)資源也相當(dāng)豐富，眾多吸附材料，熱解生物炭具有來源廣泛，成本低，吸附效果顯著而被大家廣泛的使用[2，3]。本文通過研究總結(jié)不同生物質(zhì)原料在一定的溫度下解熱得到的生物炭對(duì)水體中各重金屬離子的吸附效果，以為未來的環(huán)境水體污染研究提供一些理論參考。

1 生物炭去除水體重金屬離子效果的比較分析

1.1 來源于稻殼生物質(zhì)的生物炭

通過對(duì)來源于希臘北部的稻谷工廠搜集來的稻殼生物質(zhì)在300℃下進(jìn)行熱解得到稻殼生物炭。稻殼生物質(zhì)水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳所占的百分比分別為10.1%、17.4%、81.6%和1.0%，稻殼生物炭的比表面積為155.51m2g-1。通過將稻殼生物炭加入水體中對(duì)各重金屬離子進(jìn)行吸附，各重金屬離子的濃度顯著降低，從而降低了污染水體中重金屬的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。與對(duì)照中重金屬As的濃度（90μg/L）相比，向水溶液中加入稻殼生物炭后，重金屬As的濃度顯著的下降了25%。與重金屬As濃度下降的幅度相比，向水溶液中加入稻殼生物炭后，重金屬Cr（Ⅵ）的濃度較原溶液中Cr（Ⅵ）的濃度（190μg/L）小幅下降了18%。此外，當(dāng)向水溶液中加入稻殼生物炭后，重金屬Cr（Ⅲ）的濃度較初始溶液中Cr（Ⅲ）的濃度185μg/L顯著下降了42%。以上表明，雖然稻殼生物炭的比表面積（155.51m2/g）很大，但相比于其他吸附劑，稻殼生物炭對(duì)重金屬離子Cr和As的去除率并不是很高（<50%），因此，暗示著水體中重金屬鈍化的主要機(jī)制可能為生物炭和金屬陽離子的靜電作用以及金屬沉淀。

1.2 來源于花生殼生物質(zhì)的生物炭

通過對(duì)來源于河北豐南市農(nóng)場的花生殼生物質(zhì)在450℃下進(jìn)行熱解得到花生殼生物炭。花生殼生物炭的比表面積很小，只有2.57m2g-1，其顆粒粒徑大小分為兩個(gè)范圍：0.50-1.00mm和0.15-0.50mm。通過將花生殼生物炭加入水溶液中吸附重金屬Cr（Ⅵ）時(shí)，粒徑小的花生殼明顯比粒徑大的花生殼吸附效率和去除能力更高，這是因?yàn)檩^小粒徑的生物炭比表面積更大，因此對(duì)重金屬離子的吸附量更多。花生殼生物炭對(duì)重金屬Cr（Ⅵ）最大的吸附量為77.54mgg-1，同時(shí)，初始水溶液的pH值對(duì)重金屬的吸附效果起著很大的作用。

1.3 來源于大豆生物質(zhì)的生物炭

通過對(duì)來源于南京的大豆生物質(zhì)在400℃下進(jìn)行熱解得到大豆生物質(zhì)炭。它的CEC（cmol/kg）、堿度（mmol/g）、揮發(fā)分（wt.%）和總含氧官能團(tuán)（mmol/g）的值分別為229.5、3.89、37.50和1.13[6]。當(dāng)用大豆生物炭對(duì)Cr（Ⅲ）進(jìn)行吸附時(shí)，隨著初始水溶液的pH值從2.0上升到5.0，大豆生物炭對(duì)Cr（Ⅲ）的吸附量（mol/kg）從0.17上升到了0.35，然而當(dāng)初始水溶液的pH值大于5.0時(shí)，大豆生物炭對(duì)Cr（Ⅲ）的吸附量基本保持不變，暗示著水體中重金屬的去除不僅和吸附劑的性能有關(guān)，同時(shí)也很大程度上受水溶液的pH值影響。

2 生物炭去除水體中重金屬離子的原因分析

2.1 生物炭理化性質(zhì)的影響分析

不同生物質(zhì)原料制得的生物炭，其理化性質(zhì)各不相同，因而導(dǎo)致不同生物質(zhì)炭對(duì)水體中重金屬離子的吸附效果以及吸附機(jī)制各不相同。總結(jié)可得，生物炭的比表面積大小、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)程度、顆粒粒徑大小、所含含氧官能團(tuán)的數(shù)量以及所含無機(jī)礦物質(zhì)組分的數(shù)量，直接影響著生物炭對(duì)水體中重金屬離子的吸附行為。具體表現(xiàn)為，生物炭孔隙結(jié)構(gòu)越發(fā)達(dá)，其顆粒粒徑越小使得生物炭比表面積越大，從而使生物炭為吸附水體中重金屬離子提供了更多的吸附點(diǎn)位。同時(shí)，生物炭含氧官能團(tuán)越多，生物炭通過絡(luò)合金屬陽離子從而降低水體中重金屬離子的含量就越大。此外，生物炭中所含無機(jī)礦物質(zhì)組分，其能與金屬離子進(jìn)行沉淀從而降低了水體中重金屬離子的濃度，以降低了重金屬在水體中的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 水溶液的初始pH值的影響分析

水溶液的初始pH值會(huì)直接影響生物炭和重金屬離子之間的各種物理化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)水溶液的初始pH值在較低的范圍時(shí)，隨著初始pH值的升高，生物炭對(duì)水溶液中重金屬離子的吸附量逐漸增加；當(dāng)水溶液的初始pH值高于一定數(shù)值時(shí)，隨著初始pH值得升高，生物炭對(duì)水溶液中重金屬離子的吸附量基本保持不變。

3 結(jié)論

本文通過研究總結(jié)了不同生物炭對(duì)水體中重金屬離子的吸附效果，得出生物炭對(duì)水體中重金屬離子的吸附行為不僅和生物炭自身的理化性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)也和水溶液初始pH值相關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]Zhang，X.，Zhong，T.，Liu，L.，2015.ImpactofsoilheavymetalpollutiononfoodsafetyinChina.PloSOne10（8），EQ135182.

[2]Shen，Y.S.，Wang，S.L.，Tzou，Y.M.，Kuan，W.H.，2012.RemovalofhexvalentCrbycoconutcoirandderivedchars-theeffectofsurfacefunctionality.BioresourceTechnol.104，165-172.

[3]Yao，Y.，Gao，B.，et.，2012.Adsorptionofsulfamethoxazoleonbiocharanditsimpactonreclaimedwaterirrigation.J.Hazard.Master.209，408-413.

作者簡介：金俊偉（1991-），男，漢族，河南省新鄉(xiāng)人，浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，在讀農(nóng)業(yè)碩士，農(nóng)業(yè)資源利用專業(yè)。

黃曉慧（1990-），女，漢族，河南省周口人，浙江農(nóng)