玉米秸稈和花生殼生物炭改性研究

朱益剛，劉桂龍，孔憲昌，王修好，裴瑩瑩，龐念剛，梁 英

（黑龍江八一農墾大學理學院，黑龍江大慶 163319）

國內許多地區的農民將收割后的農作物廢棄物（如玉米秸稈、花生殼等）聚堆燃燒，導致大氣污染，同時也造成能源浪費，隨之而來的各種環境問題也日益尖銳。但農作物的廢棄物通過高溫限氧熱化學轉化為廉價且有很好吸附作用的生物炭，不僅減少了因焚燒對環境造成的污染，同時還可得到一種價格低廉、吸附效果好的優良吸附劑——生物炭。生物炭具有極其發達的間隙結構、巨大的比表面積、多個表面化學特性和極大的表面活性[1-2]。此外，生物炭可作為催化劑，還可用于分層、精制、濃縮和褪色等。生物炭的改性是采用物理、化學的手段對生物炭進行處理，改變生物炭物理結構特性或吸附能力的目的[3-4]。目前，對生物炭改性研究主要以硝酸氧化改性為主[5]。試驗通過改性可以改變生物炭的表面特性，從而促進對色素的吸附，提高生物炭吸附率、降低成本、保護環境。

以玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭為原料，采用硝酸、氫氧化鈉、微波和超聲等方法對其進行改性處理，以對色素的吸附效果為考查指標，確定吸附色素較好的改性方法，從而為工業化生產提供可靠試驗依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑及儀器

玉米秸稈和花生殼生物炭，農村農業部規劃設計研究院實驗室提供；玉米秸稈、花生殼均來自大慶周邊農場。

氫氧化鈉、硝酸，沈陽化學制劑廠提供；純凈水，娃哈哈有限責任公司提供。

MM721AAU-PW型微波爐，廣東美的微波爐制造有限公司產品；ARC120型電子精密天平，奧豪斯公司產品；SK3300H型超聲波清洗器，上海科導超聲儀有限公司產品；HH.S11-12468型水浴鍋，上海博訊有限公司產品。

1.2 試驗方法

1.2.1 4種改性處理

（1）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→不同質量分數的硝酸溶液→圓底燒瓶→水浴鍋加熱回流→過濾→蒸餾水洗滌至中性→烘干。

（2）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→不同質量分數的氫氧化鈉溶液→圓底燒瓶→水浴鍋加熱回流→過濾→蒸餾水洗滌至中性→烘干。

（3）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→水→不同超聲時間→洗滌過濾→烘干。

（4）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→水→不同微波時間→洗滌至中性→烘干。

1.2.2 電導率測定

分別稱取0.8 g未改性和改性后的玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭，將其與準確量取的100 mL蒸餾水放入250 mL帶塞的錐形瓶，攪拌10 min，濾紙過濾，濾液即為待測液。用電導率儀在25℃下測定待測溶液的電導率。

1.2.3 色素吸附測定[6]

取0.5 g未改性和改性后的玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭，50 mL亞甲基藍稀釋溶液（10 mg/L），混合攪拌靜置2 h，離心機分離，用分光光度計測量波長670 nm處的吸光度。

2 結果與分析

2.1 4種改性處理對生物炭電導率的影響

玉米秸稈生物炭4種改性后電導率見表1，花生殼生物炭4種改性的改性電導率見表2。

表1 玉米秸稈生物炭4種改性后電導率/μs·cm-1

表2 花生殼生物炭4種改性的改性電導率/μs·cm-1

由表1和表2可看出，玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭經氫氧化鈉和硝酸改性后的電導率變化明顯高于微波和超聲改性；隨氫氧化鈉和硝酸處理質量分數的增加玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭的電導率增加，處理質量分數為12%時電導率均達最大，分別為2.31 μs/cm和2.24 μs/cm；隨后，隨著處理質量分數增大電導率略有減小，但變化不顯著。

2.2 4種改性處理對生物炭吸附性能的影響

化學改性對色素吸附見圖1，超聲改性對色素吸附見圖2，微波改性對色素吸附見圖3。

由圖1可知，玉米秸稈和花生殼生物炭用不同質量分數的氫氧化鈉、硝酸改性后對亞甲基藍的吸附能力增強。玉米秸稈和花生殼生物炭隨著硝酸質量分數和氫氧化鈉質量分數的增加亞甲基藍吸光度先減小后趨于平穩，經氫氧化鈉和硝酸處理的花生殼生物炭對亞甲基藍的吸附均好于玉米秸稈，且經硝酸改性的生物炭除去色素效果好于氫氧化鈉處理組。

由圖2可知，玉米秸稈和花生殼生物炭對亞甲基藍的吸附隨著超聲時間增加，吸附性能增強，120 min后趨于平穩，但總體吸附性能的改善不顯著。

由圖3可知，玉米秸稈和花生殼改性生物炭對亞甲基藍的吸附隨著微波處理時間增加，吸光度減小，但減小不顯著。

圖1 化學改性對色素吸附

圖2 超聲改性對色素吸附

圖3 微波改性對色素吸附

3 結論

（1）玉米秸稈和花生殼生物炭經硝酸和氫氧化鈉改性后電導率增大顯著；微波和超聲改性對生物炭電導率影響很小。

（2）玉米秸稈和花生殼生物炭硝酸改性后吸附能力增強；氫氧化鈉改性后吸附能力較強；微波和超聲改性對生物炭吸附性能影響不顯著。硝酸改性對玉米秸稈和花生殼生物炭的影響最大，增加吸附能力強，HNO3質量分數在12%的時候對亞甲基藍能力吸附最強。

綜上所述，玉米秸稈和花生殼生物炭改性提高了對亞甲基藍吸附，最佳改性方法和條件是硝酸質量分數為12%。