不同熱解溫度萬壽菊秸稈制備生物炭對Cd的吸附特性研究

劉群星 宋琳 何彪

摘 要：以萬壽菊秸稈為試驗材料，在不同熱解溫度下制備生物炭，通過測定不同吸附時間、不同pH值、Cd濃度下4種生物炭（T300、T500、T700、T900）的吸附量，研究不同熱解溫度生物炭對Cd的吸附特性。結果表明，在相同的吸附時間內，吸附效果從小到大依次為T300

關鍵詞：生物炭;熱解溫度;鎘;吸附

中圖分類號 TQ424.19 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）19-0138-02

Adsorption Characteristics of Cd on Biochar Derived from Straw of Tagetes erecta at Different Pyrolysis Temperatures

LIU Qunxing1 et al.

（1Yunnan Ecological Environment Engineering Assessment Center，Kunming 650228，China）

Abstract：The article researched on the adsorption characteristics of cadmium on biochar at different pyrolysis temperatures（300-900℃）.Biochar was derived from Tagetes erecta at different temperatures.The adsorption performance of biochar was studied by measuring the adsorption capacities of the four biochar（T300、T500、T700、T900）under different adsorption time，pH and cadmium concentration.The results showed that the order of adsorption effect was T300

Key words：Biochar;Pyrolysis temperature;Cd;Adsorption

生物炭是指在缺氧環境下，熱化學轉化生物質得到的固體材料，因其來源廣泛、成本低、可再生等特性而備受關注。生物炭具有較大的比表面積，良好的孔隙結構，豐富的表面基團，使其對重金屬污染物具有較強的吸附作用，被認為是一種可廣泛應用于土壤重金屬污染修復和農業生產的新型環保材料[1-3]。鎘（Cd）是植物非必需元素，具有移動性強、中毒臨界濃度低、累積效應強等特點，是環境中最危害的重金屬之一。據《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國土壤污染情況十分嚴重，全國土壤的總超標率為16.1%，其中Cd超標率為7.0%[4]。2016年國務院頒布的《土壤污染防治計劃》指出，在重點監測的5大土壤重金屬中，排在第1位是Cd?？梢?，當前我國土壤Cd污染形勢十分嚴峻。

植物修復尤其是替代種植是修復土壤重金屬污染耕地的重要方法之一[5]。萬壽菊具有凈化空氣、美化環境等作用，其提取的葉黃素已被廣泛應用于化工、醫藥、飼料等領域，可作為重金屬污染耕地替代種植作物。但由于萬壽菊秸稈重金屬含量較高，對其的處理利用是目前關注的重點問題之一[6]。為此，本研究以萬壽菊秸稈作為制備生物炭的原料，研究pH、吸附時間、Cd濃度對不同熱解溫度制備下生物炭對Cd吸附特性的影響，探討利用重金屬污染區種植的萬壽菊秸稈制備生物炭修復重金屬污染農田的可行性，以期為實現替代種植農業廢棄物“三化”處理及生物炭在改良修復污染土壤中的應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料制備 采集某鉛鋅礦區周邊污染耕地修復的萬壽菊秸稈，烘干、冷卻至室溫后進行研磨。將研磨好的萬壽菊秸稈裝入已清洗的坩堝，然后后置于300、500、700、900℃的馬弗爐中炭化8h，冷卻至室溫后裝于密封袋備用，分別標記為T300、T500、T700、T900。

1.2 試驗方法

1.2.1 吸附時間 首先配制Cd溶液，濃度為40mg·L-1，該溶液中含有0.01mol·L-1NaNO3作為背景電解質，然后將溶液pH調節為6.0±0.05。在100mL的錐形瓶中加入0.1g由不同溫度條件下制備得到的生物炭，再加入40mL配制好的Cd溶液，將其放入搖床中在不同時間（2h、5h、10h、20h、60h）進行震蕩，震蕩完成后取上清液離心、過濾。利用火焰原子吸收分光光度法測量溶液中Cd的濃度，根據試驗數據計算其吸附量。

1.2.2 pH值 首先配制0.1mol·L-1HNO3或NaOH溶液，用于調節pH。然后配制70mg·L-1不同pH值（2.0、3.0、4.0、5.0、6.0）的Cd溶液，該溶液中含有0.01mol·L-1NaNO3作為背景電解質的Cd溶液。在100mL的錐形瓶中加入0.1g由不同溫度條件下制得到的生物炭，分別加入40mL不同pH值的Cd溶液，振蕩48h，震蕩完成后取上清液離心、過濾。利用火焰原子吸收分光光度法測量溶液中Cd的濃度，根據試驗數據計算其吸附量。

1.2.3 Cd濃度 配制含有0.01mol·L-1NaNO3作為背景電解質的不同濃度（5、10、20、50、100mg·L-1）的Cd溶液，然后將溶液pH值調節至6.0±0.05。在100mL的錐形瓶中加入0.1g由不同溫度條件下制備得到的生物炭，分別加入40mL不同濃度的Cd溶液，振蕩48h，震蕩完成后取上清液離心、過濾。利用火焰原子吸收分光光度法測量溶液中Cd的濃度，根據實驗數據計算其吸附量。

2 結果與分析

2.1 不同吸附時間對生物炭吸附Cd的影響 從圖1可以看出，當Cd濃度為40mg·L-1時，T300對Cd的吸附能力開始較慢，10h之后迅速增加，而其余3種生物炭對Cd的吸附能力在初始階段比較快，10h后吸附速率逐漸變緩直至吸附平衡。其中，T700、T900這2種生物炭隨吸附時間的增加，吸附量的變化情況基本一致。

2.2 不同pH值對生物炭吸附的影響 從圖2可以看出，pH值的變化對T500、T700的影響較大，對T300、T900的影響較小。在pH值增加的過程中，4種生物炭對Cd的吸附能力也隨之變大;T300吸附量在pH值增加到5時達到最大值，其余3種生物炭在pH值增加到6時達到最大值。

2.3 不同Cd濃度對生物炭吸附的影響 從圖3可以看出，隨著Cd濃度的不斷升高，T500、T700的吸附量也不斷升高，當溶液Cd濃度為50mg/L時，兩者吸附量達到最大值，其中T700（14.984mg/g）>T500（14.512mg/g）。

3 結論

（1）隨著吸附時間的增加，生物炭對Cd的吸附能力增加，在一定的吸附時間內，高溫所制得的生物炭對Cd的吸附效果最好。

（2）在一定pH值范圍內（2～6），pH值越高，吸附能力越好，且高溫生物炭受pH值變化的影響相對較小。

（3）生物炭對Cd的吸附量隨溶液Cd濃度的增加而增加。本試驗中，當Cd溶液濃度為50mg/g時，T500、T700這2種生物炭對Cd的吸附達到飽和。

參考文獻

[1]王重慶，王暉，江小燕，等.生物炭吸附重金屬離子的研究進展[J].化工進展，2019，38（01）：692-706.

[2]陳志良，袁志輝，黃玲，等.生物炭來源、性質及其在重金屬污染土壤修復中的研究進展[J].生環境學報，2016，25（11）：1879-1884.

[3]吳正卓，劉桂華，柴冠群，等.伴礦景天修復鎘污染土壤研究進展[J].山地農業生物學報，2018，37（06）：70-75.

[4]陳能場，鄭煜基，何曉峰，等.《全國土壤污染狀況調查公報》探析[J].農業環境科學學報，2017，36（09）：1689-1692.

[5]安婧，宮曉雙，魏樹和.重金屬污染土壤超積累植物修復關鍵技術的發展[J].生態學雜志，2015，34（11）：3261-3270.

[6]劉翰升，趙春莉，劉玥，等.鎘脅迫對萬壽菊屬植物幼苗生理及富集的影響[J].福建農業學報，2019，34（10）：1221-1227.

（責編：張宏民）