基于響應(yīng)曲面分析的生物炭制備及其對(duì)重金屬吸附作用研究

戴佩彬

摘要：選取典型農(nóng)作物廢棄物——水稻秸稈為生物質(zhì)炭原料，采用響應(yīng)曲面分析方法，研究生物炭對(duì)農(nóng)田土壤典型重金屬污染物Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附作用。結(jié)果表明：Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化溫度有著明顯的二次拋物線關(guān)系；Cd2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化時(shí)間也有著明顯的二次拋物線關(guān)系，但Cu2+ 的吸附率隨生物炭的碳化時(shí)間增加而提高。根據(jù)不同碳化條件對(duì)重金屬總體吸附效果的響應(yīng)曲面可以預(yù)測(cè)，最佳模型的碳化條件為碳化時(shí)間3 h、碳化溫度447 ℃。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)炭；重金屬；吸附；響應(yīng)曲面分析

中圖分類號(hào)：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2018）02-0047-03

生物炭（Biochar）是生物質(zhì)在缺氧或無(wú)氧條件下，經(jīng)較高溫度（<700 ℃）熱裂解形成的一類含碳的、穩(wěn)定的、高度芳香化的固型材料，具有多孔性、比表面積大、表面吸附能力強(qiáng)等特性，其作為污染土壤的一種化學(xué)鈍化劑，在農(nóng)田重金屬污染土壤修復(fù)與改良方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于生物炭來(lái)源廣泛，且制備及改性工藝多樣，所形成的生物炭理化性質(zhì)各異，造成其對(duì)不同重金屬的修復(fù)效果不盡相同。目前，對(duì)生物炭大量應(yīng)用于修復(fù)重金屬污染土壤的效果與可行性仍未形成統(tǒng)一。本課題選取典型農(nóng)作物廢棄物水稻秸稈為生物炭原料，采用響應(yīng)曲面分析方法，研究生物炭對(duì)農(nóng)田土壤典型重金屬污染物Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附作用，以優(yōu)化制備工藝，篩選出最優(yōu)生物炭，為后續(xù)大量應(yīng)用生物炭修復(fù)農(nóng)田土壤重金屬污染提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試生物炭：以水稻秸稈為原料，分別在300，400，500 ℃條件下碳化1，2，3 h（共9個(gè)組合），高溫裂解制備而成。研磨后過(guò)100目篩，儲(chǔ)存在干燥器中備用。

1.2 試驗(yàn)方法

分別在100 mL錐形瓶中加入50 mL一定濃度的Cd2+，Cu2+，Zn2+溶液，再加入0.1 g不同制備條件下的生物炭粉末，用1% HNO3和1% NaOH溶液調(diào)節(jié)重金屬溶液的初始 pH值為5.5。在25 ℃恒溫?fù)u床中振蕩24 h，轉(zhuǎn)速為150 r/min，抽濾，采用ICP-OES測(cè)定剩余溶液中Cd2+，Cu2+，Zn2+的濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用響應(yīng)曲面法對(duì)不同碳化條件下生物炭對(duì)重金屬的吸附率進(jìn)行分析，得出最佳碳化條件。

2 結(jié)果與分析

2.1 中心組合試驗(yàn)結(jié)果

采用響應(yīng)曲面法分析確定生物炭最佳制備條件，利用Design Expert 8.0軟件進(jìn)行CCD優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取2個(gè)因素：A碳化時(shí)間（1，2，3 h）和B碳化溫度（300，400，500 ℃）。碳化條件的中心組合因素水平見(jiàn)表1，得到13組試驗(yàn)條件，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.2 不同碳化條件對(duì)各重金屬吸附率的影響

根據(jù)中心組合試驗(yàn)結(jié)果建立不同碳化條件對(duì)各重金屬吸附率的模型。為了直觀地表達(dá)不同碳化時(shí)間和碳化溫度對(duì)各重金屬吸附的交互作用，建立模型的響應(yīng)曲面圖（如圖1所示）。

由圖1可以看出：不同碳化時(shí)間和碳化溫度下制備的生物炭對(duì)Cd2+和Zn2+的吸附具有明顯的二次拋物線關(guān)系，且兩者具有明顯的交互作用；而對(duì)Cu2+的吸附率與碳化溫度有明顯的二次拋物線關(guān)系，且隨著碳化時(shí)間的增加而提高。

不同碳化條件對(duì)重金屬總體吸附率的響應(yīng)曲面圖如圖2所示。

由圖2可以看出：各重金屬的吸附率與碳化時(shí)間有明顯的二次拋物線關(guān)系；同時(shí)，隨著碳化時(shí)間的增加，吸附率不斷提高。

2.3 響應(yīng)曲面最佳模型條件及其預(yù)測(cè)結(jié)果

以往的研究表明，快速加熱獲得的生物炭較少，而慢速熱解可以生產(chǎn)更多的生物炭，因此，碳化時(shí)間的延長(zhǎng)能夠提高得炭率，從而進(jìn)一步提高生物炭對(duì)重金屬的吸附率。此外，高溫?zé)崃呀獗鹊蜏責(zé)崃呀獾纳锾烤哂休^高pH值、灰分含量、生物學(xué)穩(wěn)定性及含碳量，但高溫?zé)崃呀獗Ａ粼镔|(zhì)中的碳比低溫?zé)崃呀庖?，而生物炭的孔隙度、比表面積及CEC只有在一定溫度范圍內(nèi)熱裂解才能獲得最大值，因此，生物炭的碳化溫度并非越高越好。

通過(guò)響應(yīng)曲面優(yōu)化分析可得污染土壤中各重金屬吸附的最佳模型條件為：碳化時(shí)間3 h，碳化溫度447 ℃。各重金屬在該碳化條件下吸附率的預(yù)測(cè)值見(jiàn)表3。該模型對(duì)重金屬吸附率的可信度達(dá)0.977。

3 結(jié)論

由響應(yīng)曲面分析可知，Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化溫度有著明顯的二次拋物線關(guān)系；Cd2+，Zn2+的吸附率與生物炭的碳化時(shí)間也有著明顯的二次拋物線關(guān)系，但Cu2+的吸附率隨生物炭的碳化時(shí)間增加而提高。根據(jù)不同碳化條件對(duì)重金屬總體吸附效果的響應(yīng)曲面可以預(yù)測(cè)，最佳模型的碳化條件為碳化時(shí)間3 h、碳化溫度447 ℃。

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