玉米秸稈與甘蔗渣生物炭的制備及其對Cr⁶⁺離子的吸附性能研究

孟雅靜 王曉雨 溫海蓮 買兆豐 吳啟康 肖朝虎

摘要：以Cr6+的清除率為評價指標，研究不同時間、溫度、配比條件下的生物炭吸附性能，優化玉米秸稈與甘蔗渣生物炭的制備過程。采用單因素試驗和正交試驗研究生物炭的吸附性能，單因素試驗是研究炭化時間、炭化溫度、生物炭配比對生物炭吸附性能的影響。正交試驗是通過單因素試驗選取比較優異的試驗條件進行L9（34）的正交試驗，通過分析比較得出最佳試驗條件。單因素試驗發現，混合生物炭對Cr6+的清除率在炭化時間1.5 h，炭化溫度500 ℃，生物炭配比0.50∶0.50時達到最高；正交試驗極差分析和方差分析發現，炭化時間對Cr6+的吸附性能影響比較顯著，而炭化溫度、生物炭配比對Cr6+的吸附性能影響不顯著，最佳吸附條件為炭化時間2.0 h，炭化溫度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50，在此條件下制備的混合生物炭對Cr6+的清除率可達88.74%。

關鍵詞：玉米秸稈；甘蔗渣；六價鉻離子；吸附

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2018.03.001

文章編號：1671-9646（2018）03a-0001-03

Abstract：The preparation process of bio-carbon from corn stalk and bagasse was optimized by using the scavenging rate of Cr6+ as an index to study the adsorption of biochar under different conditions including time，muffle temperature and biochar ratio. The adsorption properties of biochar were studied by single factor method and orthogonal method. Single factor method studied the effect of time，temperature and proportion of biochar. By selecting single factor method，the excellent times，muffle temperature and biochar ratios were selectde，and then the orthogonal experiment of L9（34） was carried out，and the best experimental conditions were found through analysis and comparison. Single factor experiment found that the highest removal rate of Cr6+ in aqueous solution was carbonization time 1.5 h，the temperature 500 ℃，and the ratio 0.50∶0.50. The orthogonal experiment analysis and variance analysis showed that carbonization time had a significant effect on the adsorption performance of Cr6+，and the effect of muffle temperature and biochar ratio were not significant. The optimum adsorption condition was carbonization time 2.0 h，muffle temperature 450 ℃，and biochar ratio 0.50∶0.50. On this condition，the clearance rate of mied biochar for Cr6+ was 88.74%.

Key words：corn stover；bagasse；Cr6+；adsorption

我國是玉米產量第一大國，玉米秸稈包括玉米的莖稈、葉梢和芯，是玉米收獲后的副產物，每年都會有大量玉米秸稈產出[1-2]。甘蔗渣是甘蔗榨出糖汁的剩余物，是一種用途廣泛、獲取成本低廉的生物質纖維原料。而且中國是世界上甘蔗產量第三大國，每年的甘蔗渣產量超過2 000×104 t[3]。我國的玉米秸稈除少部分作為草食動物的飼料、肥料、基料外，大約有70%作為燃料焚燒或直接翻入土壤中還田[2]。除少部分甘蔗渣作為發酵原料回收或者作為食草動物飼料之外[4]，大部分作為垃圾回收。玉米秸稈和甘蔗渣主要成分為纖維素、中纖維素、木質素與其他有機質和無機鹽離子[5-6]，作為天然的炭源，開發利用玉米秸稈、甘蔗渣生物炭作為新型活性吸附材料具有廣闊的應用前景。

1 材料與方法

1.1 原料及藥品

玉米秸稈、甘蔗渣、高錳酸鉀，天津市北方天醫化學試劑廠提供；硫酸，白銀銀環化學試劑廠提供；氨水，天津市百世化工有限公司提供；重鉻酸鉀，天津市福晨化學試劑廠提供；二苯炭酰二肼，天津市天新精細化工開發中心提供。

1.2 儀器

7J-2型電熱磁力攪拌器，常州國華電器有限公司產品；JA2103N型電子天平，上海民橋精密科學儀器有限公司產品；SRJX-4-13型馬弗爐，北京科偉永興儀器有限公司產品；HT-1102C型搖床，上海知楚儀器有限公司產品；T6型新世紀紫外分光光度計，北京普析通用儀器有限責任公司產品。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集及預處理

將玉米秸稈與甘蔗渣風干除去水分，粉碎成粉末，裝入密封袋中備用。

1.3.2 生物炭的制備

分別準確稱量5.00 g的玉米秸稈和甘蔗渣依次放入坩堝中，然后將樣品放入馬弗爐中，以不同炭化溫度（350，400，450，500，550 ℃）和不同炭化時間（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）制備得到不同條件下的生物炭，備用。

1.3.3 吸附性試驗

配制1.0 mg/L重鉻酸鉀溶液，在6個錐形瓶中分別加入100 mL重鉻酸鉀溶液，然后再分別加入1.00 g不同條件下制備得到的混合生物炭，在30 ℃，200 r/min的條件下混合振蕩9 h，過濾，根據國標法（GB 2771—1987）分別檢測吸附后的混合溶液，以Cr6+的清除率為評價指標，計算公式如（1）：

式中：W——重鉻酸鉀溶液中Cr6+的清除率，%；

m1——吸附試驗前樣品中Cr6+的含量，mg；

m2——吸附試驗后樣品中Cr6+的含量，mg。

1.3.4 單因素試驗設計

根據1.3.2與1.3.3的試驗方法，研究在炭化溫度、炭化時間與生物炭配比3個條件下生物炭對Cr6+的清除率。

單因素試驗因素與水平設計見表1。

1.3.5 正交試驗設計

為進一步優化玉米秸稈與甘蔗渣生物炭最佳制備條件，在單因素試驗的基礎上，以玉米秸稈和甘蔗渣的炭化時間、炭化溫度、生物炭配比為影響因素，采用L9（34）進行三因素三水平正交試驗。

正交試驗因素與水平設計見表2。

1.3.6繪制標準曲線

以Cr6+標準質量濃度（mg/mL）為橫坐標，吸光度（A）為縱坐標，根據GB 7486—1987繪制標準曲線。紫外分光光度計檢測的吸光度與Cr6+含量呈線性關系，回歸方程為Y=0.745X+0.001 4，回歸系數R2=0.992 7，線性度較好。

Cr6+質量濃度標準曲線見圖1。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

單因素試驗結果見圖2。

2.1.1 炭化時間對Cr6+清除率的影響

設定生物炭比例0.50∶0.50，炭化溫度450 ℃，研究玉米秸稈和甘蔗渣在不同炭化時間（1.0， 1.5，2.0， 2.5，3.0 h）下制備得到的生物炭對Cr6+的清除率，結果如圖2（a）所示，在1.0 h和1.5 h下的生物炭對Cr6+的清除率相近，在2.0 h時Cr6+的清除率達到最大，而炭化時間大于2.0 h后，清除率開始下降，可能是由于炭化時間過長，破壞了生物炭的結構，因此采用炭化時間為2.0 h進行后續試驗。

2.1.2 炭化溫度對Cr6+清除率的影響

設定生物炭比例0.50∶0.50，炭化時間2.0 h，研究玉米秸稈和甘蔗渣在不同炭化溫度（350， 400，450， 500，550 ℃）下制備得到的生物炭對Cr6+的清除率，結果如圖2（b）所示，隨著炭化時間的增長，生物炭對Cr6+的清除率先下降后上升，在500 ℃制備的生物炭達到最大，而炭化溫度大于500 ℃時，清除率開始下降，可能是由于溫度太高破壞了生物炭的結構，因此采用炭化溫度為500 ℃進行后續試驗。

2.1.3 生物炭配比對Cr6+清除率的影響

設定炭化時間2 h，炭化溫度500 ℃，研究玉米秸稈與甘蔗渣不同配比（0∶1.00，0.25∶0.75，0.50∶0.50，0.75∶0.25，1.00∶0）條件下的生物炭對Cr6+的清除率，結果如圖2（c）所示，當玉米秸稈與甘蔗渣配比為0.50∶0.50時，生物炭對Cr6+的清除率最高，而配比大于0.50∶0.50時清除率開始下降，因此生物炭配比為0.50∶0.50時混合生物炭對Cr6+的吸附性能最佳。

2.2 正交試驗結果

以炭化時間、炭化溫度、生物炭配比為影響因素，采用L9（34）進行三因素三水平正交試驗。

正交試驗結果見表3，正交試驗結果方差分析見表4。

經過極差分析和方差分析發現，炭化時間（A）對Cr6+的吸附影響顯著，而炭化溫度（B）、生物炭配比（C）對Cr6+的吸附性能影響不顯著，各因素強弱順序為A>B>C，最佳的吸附組合條件為A1B1C2，即炭化時間2.0 h，炭化溫度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50時混合生物炭對Cr6+的清除率最高。

3 結論

以單因素試驗和正交試驗為基礎，在不同炭化時間、炭化溫度與生物炭配比下研究混合生物炭對Cr6+的吸附性能。單因素試驗結果發現在1.0 h和1.5 h下的混合生物炭對Cr6+的清除率相近，在2.0 h時對Cr6+的清除率達到最大，時間大于2.0 h時清除率開始下降；隨著炭化時間的延長，生物炭對Cr6+的清除率先下降后上升，在500 ℃制備的生物炭清除率最佳，炭化溫度高于500 ℃時，清除率開始緩慢下降；生物炭對Cr6+的清除率在生物炭配比為0.50∶0.50時達到最高，配比大于0.50∶0.50時，清除率開始下降。正交試驗結果發現，炭化時間對Cr6+的吸附性能影響顯著，而炭化溫度、生物炭配比對Cr6+的吸附性能不顯著，各因素影響強弱順序為A>B>C，生物炭的最佳制備條件為A1B1C2，即炭化時間1.5 h，炭化溫度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50為最佳制備條件，此條件下制備的混合生物炭對Cr6+的清除率可達88.74%。

參考文獻：

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