香蕉皮生物炭的制備及其吸附催化性能分析

龐 婭 江源康 廖沛涵

（長沙學院生物與環境工程學院 湖南長沙 410000）

引言

生物炭是生物質(如各種植物殘體、污泥、畜禽糞便等)在有限供氧的密閉環境中于相對較低的溫度條件下(＜700℃)熱解生成的一類富含碳素(C%＞60%)、性質穩定、具有不同程度芳香化的固態產物[1]。生物炭通常具有較發達的孔隙結構和豐富的表面官能團。以各類農業廢棄物為前體制備的生物炭在修復重金屬污染和有機物污染等方面表現出重要潛力[2]。大量理論研究與實踐應用表明，生物炭有利于實現農業生產過程中能源的循環利用，對于修復水污染、資源化利用農業廢棄物和可持續農業均具有重要意義[3-4]。

1 實驗部分

1.1 生物炭的制備方法

收集新鮮的香蕉皮用去離子水洗凈，放入烘箱，在105℃下烘至恒重，經粉碎、過不同粒徑的篩子，將干香蕉皮顆粒密封存入干燥器內備用。香蕉皮生物炭Banana Biochar用BB表示，KOH處理的生物炭用KOH-BB表示，摻氮氮元素的生物炭用N-BB表示

（1）BB:將香蕉皮粉末于800℃煅燒2h，具體升溫條件為5℃/min，升至800℃后，保持2h，等待自然冷卻。

（2）KOH-BB:4g香蕉皮粉末混合100mL 2mol/L KOH，于室溫160rpm震蕩24h后冷凍干燥，于800℃煅燒2h，再先后用2mol/L KOH和2mol/L HCl攪拌洗滌4h，用去離子水沖洗、干燥后儲存，具體升溫條件為5℃/min，升至800℃后，保持2h，等待自然冷卻后。

（3）N-BB:將0.1g KOH-BP與0.1g三聚氰胺加入到20mL乙醇中，超聲后攪拌，置于60℃烘干，再置于馬弗爐中煅燒（450℃1h+800℃ 1h），具體升溫條件為 5℃/min，氮氣條件下，升至 800℃后，保持2h，等待自然冷卻后。

1.2 吸附催化實驗

以制備的生物炭為吸附劑或者催化劑，加入到不同體積的濃度為100mg/L的環丙沙星溶液中。其中吸附操作中，加入的生物炭的量為0.01g；催化操作中，除加入0.01g的生物炭外，還加入了2mmol/L的過硫酸鉀。避光震蕩處理4h，過濾后測定濃度。

2 結果與討論

2.1 生物炭的表征

分析了材料的比表面積和孔徑，結果如表1所示

表1 香蕉皮生物炭比表面積和孔徑

2.2 生物炭吸附催化性能

圖1 三種生物炭吸附處理不同含量環丙沙星的效率

如圖1所示，KOH-BB對環丙沙星的去除率最好，對20mL的100mg/L的環丙沙星去除率可達99.63%，在30mL中去除率也達到了99.48%，而在50mL的原液中環丙沙星的去除率有95.45%。而N-BB對環丙沙星的去除率略差。未修飾的BB對環丙沙星的去除率最差，可能是因為經過化學改性的生物炭比表面積增大，利于吸附環丙沙星。

圖2 三種生物炭活化過硫酸鉀降解環丙沙星的效率

綜上比較圖2，N-BP對環丙沙星的催化降解效果是最好的，但是在本實驗中催化和吸附是同時存在的，N-BP對50mL的原液去除率可達到97.68%，而且80mL的原液中去除率也達到了77.15%，對比KOH-BP對環丙沙星的各組催化降解效果顯得略好，其原因可能是香蕉皮生物炭N-BP摻雜N原子后，分子結構發生了一些變化，會有C-N鍵的形成，增加了生物炭的表面缺陷，而原BP對環丙沙星的催化降解效果是最差的。

結語

本研究通過制備出香蕉皮生物炭，用于吸附以及催化降解水中環丙沙星。所述的香蕉皮生物炭材料制備方法簡單易操作，所制得的材料也好保存。KOH改性的生物炭吸附劑0.01g對100mg/L的環丙沙星水溶液的吸附效果是最好的，震蕩混合4h后去除率達到了99.63%。而利用N-BB 0.01g作為催化劑加入到2mmol/L的過硫酸鉀作為氧化劑，震蕩混合4h后催化去除率污染物，達到了97.68%。