廚房殘余物制備生物炭及其對考馬斯亮蘭的吸附研究＊

龍克誠，左思杰，劉澤煜

（六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院 貴州 六盤水 553000）

我國廚房濕垃圾棄物產(chǎn)量巨大，有效利用率低，且腐爛廚余物不僅氣味難聞，長期堆放后，滲濾液會隨徑流污染地下水，急需進一步有效加工利用[1-2]。生物炭（biochar）是動植物殘體經(jīng)過缺氧熱解制備的一類含碳物質(zhì)，具有較高的陽離子交換量、孔隙發(fā)達(dá)、比表面積大、表面含有多種官能團等特點，在環(huán)境治理中發(fā)揮了重要的作用[3-5]。生物炭的制備主要以落葉、秸稈、動物糞便等農(nóng)林廢棄物及低價褐煤為原材料。因此，如果以廚余物作為原料，制備生物炭，不僅可以對廢棄物進行利用，還能改善環(huán)境[6-7]。

因此，本文采用廚房殘余物（枯白菜）作為原料，通過高溫絕氧制備生物炭，并對其進行改性，最后應(yīng)用于有機污染物考馬斯亮蘭吸附。為廚余物的有效利用提供一種新的思路。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用枯菜葉收集于六盤水當(dāng)?shù)剞r(nóng)貿(mào)市場。經(jīng)太陽曬干，自然揉碎后備用。

1.2 生物炭的制備

取5g 枯菜葉放入馬弗爐，在氮氣氣氛下，以15℃/min 的速率從室溫升溫至300℃，保溫2h，制得生物炭。

1.3 生物炭的改性

采用硝酸對生物炭進行改性，取不同濃度（0.5mol/L、1.5mol/L、2mol/L）硝酸10mL，置于50mL離心管中，加入0.5g 生物炭，在不同轉(zhuǎn)速（rPm、90 rPm、200rPm）下，改性24h、48h 或72h。

1.4 模擬有機廢水的配制

采用考馬斯亮蘭模擬工業(yè)有機廢水，稱取一定量考馬斯亮蘭，配制成濃度為0.002mol/L 溶液。

1.5 生物炭對有機廢水的吸附

準(zhǔn)確分別稱取改性前后生物炭0.100g，置于50mL 離心管中，加入50 mL 考馬斯亮蘭溶液，靜置24 h、48h、72h 后，測量考馬斯亮蘭溶液吸光度。吸光度的測定采用北京普析通用儀器有限公司生產(chǎn)的T6 新世紀(jì)型紫外可見光分析儀，測定波長為548nm。通過對比吸附前后吸光度的變化計算生物炭對有機廢水的吸附率。其計算公式為：

其中，A1和A2分別為吸附前后考馬斯亮蘭溶液在548nm 處的吸光度。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 枯白菜基生物炭

枯白菜經(jīng)高溫絕氧制備的生物炭如圖1 所示。由圖可知，枯白菜葉高溫絕氧制備得到的生物炭具有發(fā)達(dá)的空隙。

圖1 制備的枯白菜基生物炭

2.2 未改性生物炭對考馬斯亮蘭溶液的吸附

對用枯菜葉制備獲得的生物炭直接對考馬斯亮蘭溶液進行吸附，吸附時間為48h，通過測定吸附前后考馬斯亮蘭含量的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸附率為48.0%。可見，效果不太理想，需要對生物炭進行改性。

2.3 改性條件對生物炭吸附的影響

對制備的生物炭進行改性，硝酸濃度分別為0.5mol/L，1.5mol/L，和2mol/L，轉(zhuǎn)速分別取0rpm，90rpm和200rpm，時長分別為24h，48h 和72h，獲得改性生物炭。然后用改性生物炭對考馬斯亮蘭進行吸附研究，吸附時間分別為24h，48h 和72h。最后對吸附后的考馬斯亮蘭溶液進行測定，計算吸附率。

不同硝酸濃度對改性生物炭的吸附的影響如圖2-4 所示。圖2 是靜置改性，由圖2 可知，隨著硝酸濃度的增加，改性生物炭對考馬斯亮蘭的吸附率逐漸上升，最高可達(dá)91.4%。改性24h 硝酸的生物炭優(yōu)于48h 和72h 的，這可能是由于改性時間增強，生物炭表面被硝酸氧化，導(dǎo)致吸附能力降低。

圖2 靜置時進行改性和吸附的吸附率變化

圖3 是轉(zhuǎn)速為90rpm 時，不同硝酸濃度對改性生物炭吸附能力的影響。由圖3 可知，當(dāng)改性時間為24h 時，隨著硝酸濃度的增加，改性生物炭的吸附能力增加，當(dāng)硝酸濃度為2mol/L 時，改性生物炭對考馬斯亮蘭的吸附率達(dá)95.7%。改性時間為48h時，隨著硝酸濃度的增加，改性生物炭的吸附率先增加后減少。當(dāng)改性時間增加到72h 時，改性生物炭的吸附率隨著硝酸濃度的增加而減小，最低為15.7%。可見，長時間深度氧化不利于生物炭的吸附。

圖3 轉(zhuǎn)速為90rpm 時進行改性和吸附的吸附率變化

圖4 是轉(zhuǎn)速為200rpm 時，不同硝酸濃度對改性生物炭吸附能力的影響。高轉(zhuǎn)速條件下改性，改性生物炭的特性與低速和靜置條件下完全相反。隨著硝酸濃度的增加，改性生物炭的吸附率隨之降低。這是由于高轉(zhuǎn)速增加了反應(yīng)條件，提高了反應(yīng)速率。當(dāng)硝酸濃度為0.5mol/L 時，隨著改性時間增加，生物炭對考馬斯亮蘭的吸附率由73.6%增加到91.4%。因此，高轉(zhuǎn)速下適合低濃度硝酸改性。

圖4 轉(zhuǎn)速為200rpm 時進行改性和吸附的吸附率變化

2.4 吸附時間對吸附效果的影響

對改性獲得的27 個改性生物炭對考馬斯亮蘭進行吸附實驗，吸附時間對吸附效果的影響如圖5 所示。由圖5 可知，吸附24h 時的平均吸附率為84.4%。隨著吸附時間的進行，發(fā)生脫附現(xiàn)象。48h 后，平均吸附率降為65.0%，到72h 后，吸附率達(dá)到平衡，仍然保持65.0%不變。

圖5 吸附時間對吸附率的影響

3 結(jié)論

通過研究可以得到如下結(jié)論：

1）利用廚房殘余物（枯菜葉）制備生物炭是一種資源化利用方式，具有良好的效果。

2）硝酸是一種較好生物炭改性試劑，濃度、轉(zhuǎn)速、改性時間對生物炭均具有較強的影響。當(dāng)硝酸濃度為2mol/L，轉(zhuǎn)速為90rpm，改性時間為24h 時，改性生物炭對考馬斯亮蘭的吸附率最高，達(dá)95.7%。

3）靜置或低轉(zhuǎn)速時，改性生物炭的吸附率隨硝酸濃度增加而增加，高轉(zhuǎn)速時（200rpm），改性生物炭的吸附率隨硝酸濃度增加而降低。

4）改性生物炭對考馬斯亮蘭的吸附率隨著時間的增加呈降低的趨勢，這是出現(xiàn)脫附造成的。