影響生物質碳材料吸附性能的關鍵因素

武大鵬 穆伊芳

摘? 要：近年來，生物質碳材料無論是天然的還是改性的，都被成功地用于去除水相中的有機染料。文章綜述了在吸附有機染料過程中影響生物炭整體吸附效率的關鍵因素（溶液pH、生物炭用量以及溶液初始濃度等），有助于研究人員更好地開展科學實驗。

關鍵詞：生物炭;吸附;有機染料

中圖分類號：O647? ? ?文獻標識碼：A

The Key Factors Affecting the Adsorption Performance of Biochar

Wu Dapeng? Mu Yifang

（School of Chemistry and Chemical Engineering，Henan Normal University，Henan，Xinxiang，453007）

Abstract：In recent years，biomass carbon materials，whether natural or modified，have been successfully used to remove organic dyes in the aqueous phase. In this paper，the key factors affecting the overall adsorption efficiency of biochar（solution pH，amount of biochar and initial concentration of solution）were reviewed.It is helpful for researchers to carry out scientific experiments better.

Key words：Biochar;Adsorbent;Organic dye

環境污染是一個嚴重的問題，它對人類健康、植物和動物等都產生了不利影響。染料因為它的色譜完整、顏色鮮艷、牢度好被應用于紡織和印染等重工業中[1]。通常，一旦染料發揮了它們的作用，它們中的大多數就被丟棄了，沒有經過進一步的處理就進入了水體，這樣就會產生大量的有害廢水。有害廢水中的染料分子（尤其是偶氮染料）對生物具有致畸、致癌、致突變作用并通過食物鏈等方式對人體健康造成危害。染料主要是以芳烴和雜環化合物為母體，并帶有顯色基團和極性基團，在自然條件下很難降解。如何從廢水中去除這些染料成為一項重大的環境挑戰[2]。吸附法以其成本低、設計簡單、操作方便成為應用最為廣泛的處理方法[3]。目前，活性炭、沸石、粘土礦物等高分子材料已被用作去除染料的吸附劑[4]。其中，生物質活性炭具有低成本、多孔、高表面活性、和高離子交換容量的特點，作為一種有效的吸附劑正在吸引著人們極大的研究興趣[5]。生物炭是生物質在厭氧或缺氧條件下熱處理而得到的一種固體碳材料。制備生物質材料的來源廣泛且成本較低。例如農業廢物（稻草和蘆葦等）、城市廢棄物（豆渣和香蕉皮）、園林廢棄物（樹葉和象草等）等都被用于制備生物質碳材料，并應用于水體系中染料的去除[6]。利用這些大量的生物質廢棄物作為有效的吸附劑，不僅實現了廢棄物資源化處理，也為水和廢水處理系統提供了可持續的、成本效益高的解決方案。筆者綜述了在吸附陰離子和陽離子染料的過程中影響生物炭整體吸附效率的關鍵因素，以便更高效地確定生物炭材料的吸附性能。

一、溶液pH對吸附性能的影響

溶液pH在吸附過程中起著非常重要的作用，特別是對染料的吸附。溶液pH的變化，對吸附劑表面結合位點的解離和吸附質的形態、可吸附性均有影響。在高pH溶液中，溶液界面的正電荷減少，生物炭吸附劑表面呈現負電荷，陽離子染料的吸附量增加，陰離子染料的吸附量減少。而在低pH溶液中，溶液界面的正電荷增加，生物炭吸附劑表面呈正電荷，導致陰離子染料吸附增加，陽離子染料吸附減少。Hameed B H等[7]在pH為2-4之間，研究了香蕉莖對亞甲基藍染料（陽離子染料）的吸附性能，發現在pH=2時亞甲基藍的吸附量最小，在pH=4時最大。隨著pH值的增大，陽離子染料在吸附劑表面的吸附量趨于增大，陰離子染料吸附量趨于減小，這主要是由于染料與吸附劑表面有效電荷的靜電相互作用。總的來說，在低pH溶液中，陽離子染料的去除率會降低，而陰離子染料的去除率會增加;相反，在高pH溶液中，陽離子染料的去除率會增加，而陰離子染料的去除率會降低。

二、初始濃度對吸附性能的影響

染料的去除率高度依賴于染料濃度的初始量。在水溶液中，吸附劑染料的初始濃度為克服吸附劑在水溶液和固相之間的所有傳質阻力提供了驅動力。染料去除率取決于染料與吸附劑表面有效結合位點。Li X等[8]以廢稻草為原料，以高錳酸鉀為活化劑制得生物炭材料，并將其用于除去水體中的孔雀石綠染料。當孔雀石綠的初始濃度從10毫克/升上升到150毫克/升 ，該生物炭吸附劑對染料的去除率從86.86%下降至41.58%。這是由于染料濃度較低時，生物炭中有足夠的孔來吸收染料分子，有足夠的活性位點進行結合。當濃度逐漸提高，孔的吸附能力趨于飽和，吸附位點基本都被染料分子所覆蓋，從而喪失吸附能力。

三、生物炭添加量對吸附性能的影響

確定吸附劑添加量對吸附效果的影響，有利于實現資源的合理利用，避免添加量不足對吸附劑的吸附性能產生影響。吸附劑用量對吸附過程的影響可以通過將不同質量的吸附劑加入固定的初始染料濃度中，然后一起震蕩至平衡時間來進行確定。Adekola F A等[9]研究了車前草活性生物炭對羅丹明B染料的吸附行為。在生物炭用量在0.1毫克/升至0.3毫克/升之間時，吸附劑用量的增加，導致染料去除率增加，當吸附劑用量進一步增加時，去除率沒有繼續增加。這是由于吸附劑粒子增多，吸附劑重疊，導致部分吸附位點被覆蓋，去除率達到一個平衡狀態。Raj K R等[10]在生物材料用量從1.0g到6.0g，研究了生物炭用量對于亞甲基藍吸附性能的影響。其吸附率隨生物材料用量的增加而增加，從1.0g增加到4.0g。然而，從4.0g以后，進一步增加生物材料的用量，吸附趨勢沒有明顯的增加。這可能是由于在現有的操作條件下，吸附劑與吸附劑之間達到了平衡，使得吸附劑不能進一步吸附。研究吸附劑用量的影響，可以了解吸附劑的有效性，從而從經濟學的角度識別生物炭材料的吸附能力。

四、反應溫度對吸附性能的影響

溶液溫度通過影響吸附過程的平衡和速率對吸附過程有重要影響。無論吸附過程是放熱過程還是吸熱過程，溫度都是影響生物炭材料吸附能力的一個重要因素。Acemiolu B等[11]研究了不同溫度（20℃～50℃）下KOH改性的花生殼生物炭吸附劑對馬唑橙染料的吸附能力。實驗結果表明其為吸熱反應，隨著溫度的升高，去除率明顯增加，溫度為50℃時吸附量最大，20℃時吸附量最小。當吸附過程為放熱過程時，去除率隨溫度升高而減小。隨著溫度的升高，吸附能力的下降可能是由于溫度的升高導致吸附物質與吸附表面活性位點之間的吸附力下降。當吸附過程為吸熱過程時，去除率隨溫度升高而增大。這是由于隨著溫度的升高而增加，染料分子的流動性增加，吸附活性位點的數量也增加。但當達到一定溫度時，溫度繼續提高生物炭的去除率變化范圍不大，此時為最佳反應溫度。確定最佳反應溫度，有利于節約能源。

五、反應時間對吸附性能的影響

研究反應時間的影響在吸附研究中是十分重要的。Raj K R等[10]以辣木籽粉為原料制得了生物炭并研究了其對于亞甲基藍和剛果紅的吸附能力。實驗結果表明，在反應初期，兩種染料的去除率隨著時間逐漸增加，最后在40分鐘達到最優值（平衡點）。一旦達到平衡，亞甲基藍和剛果紅的去除率沒有隨著時間的改變進一步增加。這是因為反應初期吸附劑的微孔結構和外表面協同吸附并提供豐富的位點。同時，吸附劑界面染料分子的濃度差推動了傳質速率。但當反應時間逐漸變長時，吸附位點逐漸飽和，溶液的濃度差也越來越小，吸附過程變得緩慢，最終達到平衡狀態。

六、結語

生物炭材料具有良好的孔道結構，較高的比表面積，豐富的多層分孔結構以及多種官能團等特點，有利于吸附有機染料。在復雜的外界環境條件下，多種因素都會對吸附材料的去除效果產生不利影響。了解影響生物炭的吸附性能的主要因素對評價生物炭在吸附研究中的有效性具有重要意義。筆者綜述了溶液pH、生物炭添加量等實驗條件對生物炭吸附有機染料的影響，通過控制這些實驗條件可以獲得高的去除率，同時降低操作和生產成本。

參考文獻：

[1] Abdi J，Vossoughi M，Mahmoodi N M，et al.Synthesis of metal-organic framework hybrid nanocomposites?[1] based on GO and CNT with high adsorption capacity for dye removal[J].Chemical Engineering Journal. 2017[1]? ?（326）： 1145-1158.

[2] Tkaczyk A，Mitrowska K，Posyniak A.Synthetic organic dyes as contaminants of the aquatic environment?[1] and their implications for ecosystems：A review[J].Sci Total Environ，2020（717）：137-222.

[3] Hong G B，Wang Y K. Synthesis of low-cost adsorbent from rice bran for the removal of reactive dye based?[1]on the response surface methodology[J].Applied Surface Science，2017（423）：800-809.

[4] Katheresan V，Kansedo J，Lau S Y. Efficiency of Various Recent Wastewater Dye Removal Methods：A?[1 ]Review[J].Journal of Environmental Chemical Engineering，2018，6（4）：4676-4697.

[5] Li X，Li Y. Adsorptive Removal of Dyes from Aqueous Solution by KMnO4-Modified Rice Husk and Rice Straw [J].?[1] Journal of Chemistry，2019（8）：1-9.

[6] OConnor D，Peng T，Zhang J，et al. Biochar application for the remediation of heavy metal polluted?[1 ]land：A review of in situ field trials[J].ence of the Total Environment，2018，619-620：815-826.

[7] Hameed B H，Mahmoud D K，Ahmad A L.Sorption equilibrium and kinetics of basic dye from aqueous?[1] solution using banana stalk waste[J].J Hazard Mater，2008，158（2-3）：499-506.

[8] Li X，Li Y. Adsorptive Removal of Dyes from Aqueous Solution by KMnO4-Modified Rice Husk and Rice?[1 ]Straw[J]. Journal of Chemistry，2019（8）：1-9.

[9] Adekola F A，Ayodele S B，Inyinbor A A. Activated biochar prepared from plaintain peels：Characterization?[1 ]and Rhodamine B adsorption data set [J]. Chemical Data Collections，2019，19（2）：100170.

[10] Raj K R，Kardam A，Arora J K，et al. Adsorption behavior of dyes from aqueous solution using agricultural?[? ? 1]waste：modeling approach [J]. Clean Techn Environ Policy，2013（15）：73-80.

[11] Acemio lu B. Removal of a reactive dye using NaOH-activated biochar prepared from peanut shell by?[1? ?]pyrolysis process[J].International Journal of Coal Preparation and Utilization，2019：1-23.