稀酸稀堿洗脫處理對生物炭結構及吸附四環素性能的影響

高雅軒，嚴姍姍，林子翔，張書，高雯然

(南京林業大學材料科學與工程學院，南京 210037)

生物質作為地球上唯一可再生的碳資源，其高效利用對解決能源和環境問題至關重要。生物炭是生物質熱解產生的固相產物，具有豐富的孔隙結構和較好的生物、化學穩定性，比表面積大且高度芳香化[1]。生物炭對污染物具有很強的吸附效果，對有機污染物的環境行為和轉化有著重要影響。抗生素造成的水污染一直是全人類面臨的難題[2-3]。四環素是醫療業和畜牧業上應用最廣泛的抗生素之一，由于人類和動物不能完全吸收四環素，導致其以代謝物甚至原態排入環境中造成水體污染[4-5]，因此，從水體中去除四環素是全世界許多研究人員們高度關注的問題。

在熱解炭化過程中，生物質材料中的無機成分會部分轉化為灰分，殘留在生物炭中[6]。此外，生物炭表面還會不可避免地附著一部分無機鹽、焦油以及醋液等熱解副產物[7-10]。這些被附著的熱解副產物以及灰分會隨生物炭一同進入環境，由于其性質較活躍，在環境中易發生變化，會在一定程度上影響生物炭對污染物的吸附行為[11]。因此，為了研究生物炭本身對四環素的吸附行為，需要通過酸或堿對生物炭進行洗脫處理，在一定程度上排除這些外界因素的干擾。王貝貝等[12]和王月瑛等[13]研究發現酸洗能夠去除生物炭的表面灰分，優化了生物炭的孔隙結構，從而提高生物炭的吸附性能。史風梅等[14]研究發現堿洗同樣可以改變生物炭的有機構成和微觀結構，進而影響其吸附硫化氫的效果。然而，上述所用的酸或者堿洗脫液濃度較高，普遍為1 mol/L的鹽酸或者質量分數10%的氫氧化鉀，往往會對生物炭的某一結構性質改變過于劇烈(如孔隙結構)，不能客觀地評價生物炭其他性質的改變對吸附行為的影響。選用稀酸或者稀堿溶液作為洗脫液可以很好地規避這一問題，能夠對影響生物炭吸附能力的各種因素進行綜合全面的探究。但是，以稀酸和稀堿作為洗脫液對生物炭結構及其吸附性能的影響尚不清楚，亟須研究。

筆者以800 ℃下熱解生成的纖維板生物炭為原材料，選取稀酸和稀堿溶液作為洗脫劑浸泡生物炭進行酸堿洗脫處理。通過元素分析、工業分析、傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X射線光電子能譜(XPS)、N2吸附法和X射線衍射(XRD)等手段研究稀酸和稀堿洗脫處理對生物炭性質結構的影響；通過對比洗脫前后生物炭對四環素的吸附去除率和等溫吸附研究，探討稀酸和稀堿洗脫處理對生物炭吸附四環素性能的影響；通過對洗脫液的紫外分光光譜(UV-Vis)分析，研究酸堿洗脫處理對生物炭表面熱解副產物的去除；結合生物炭吸附四環素的吸附機制，探究影響其吸附能力的關鍵性質，為后續優化生物炭吸附能力提供科學依據，并為生物炭在環境修復上的進一步應用和推廣提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗試劑

四環素，購自上海生化科技有限公司；鹽酸，購自南京化學試劑股份有限公司；氫氧化鈉、氯化鈉，購自國藥集團化學試劑有限公司，均為分析純。供試纖維板購自大亞人造板集團有限公司，將纖維板生物質原料切碎、研磨后過篩取粒徑為74～200 μm的顆粒待用。

1.2 生物炭的制備及其洗脫處理

取3個坩堝，每個坩堝平鋪3.5 g左右的纖維板原料，再把坩堝置于管式爐中以10 ℃/min的升溫速率加熱至800 ℃，在800 ℃保持1 h，N2流速為0.5 L/min，冷卻至室溫后取出坩堝，得到原始生物炭并標記為BC。

將濃度為0.1 mol/L 的HCl溶液加入去離子水中至溶液pH 2，配制稀酸洗脫液。將濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液加入到去離子水中至溶液pH 10，配制稀堿洗脫液。取0.5 g生物炭放入250 mL燒杯中，加入200 mL酸或堿洗脫液攪拌浸泡48 h，之后用去離子水將生物炭洗至中性，放入干燥箱中烘干，酸堿洗脫后得到的生物炭分別標記為BC-HCl和BC-NaOH。

1.3 生物炭的表征

采用2400 SeriesII元素分析儀(美國Perkin-Elmer)測定生物炭的元素。采用JSM-7600F型掃描電子顯微鏡(SEM，日本Electronics)和Ultima IV型XRD(日本Rigaku)分別測定生物炭的形貌和晶體結構。采用Vertex 80V型FT-IR儀(德國Bruker)測定生物炭的官能團：將生物炭樣品與溴化鉀按照質量比1∶800混合后研磨3 min后做壓片，壓力為18 MPa。采用AXIS Ultra DLD型XPS(英國Shimadzu)測定生物炭的表面元素組成。基于氮氣吸附法，采用比表面積測定儀(美國Quantachrome)在溫度為77 K下測得生物炭的比表面積、總孔容和平均孔徑。

1.4 吸附試驗及吸附動力學研究

將0.050 g四環素和0.025 g氫氧化鈉與100 mL去離子水混合制備質量濃度為500 mg/L的四環素母液。將四環素母液稀釋到20 mg/L并用稀鹽酸將溶液調至中性。取100 mL四環素溶液(pH 7)至250 mL的錐形瓶中，加入0.25 g生物炭，室溫下慢速攪拌48 h。根據前期研究結果，48 h基本達到了吸附平衡[15]。用注射器取5 mL溶液經0.22 μm 的微孔濾膜過濾，所得溶液采用WFZ UV-2000型紫外吸光光度計(美國Unico)測定四環素的濃度，檢測波長為360 nm。所有試驗至少重復2次。吸附去除效率R的計算公式為：

(1)

式中：C0為四環素初始質量濃度，mg/L；Ce為達到吸附平衡之后的質量濃度，mg/L。

吸附容量qe的計算公式為：

(2)

式中：m為生物炭的質量，g；V為四環素溶液的體積，mL。

Langmuir和Freundlich兩種吸附等溫線模型公式如下：

(3)

(4)

(5)

式中：qmax為最大吸附容量，mg/g；KL為Langmuir常數，L/mmol；KF為Freundlich常數，(mmol/g)·(L/mmol)1/n；n為另一個與吸附強度有關的Freundlich吸附常數;RL為反映等溫吸附程度的無量綱系數。

2 結果與分析

2.1 酸堿洗脫處理對生物炭結構的影響

SEM可以觀察生物炭的表面形貌，結果如圖1所示。生物炭還保留生物質原料的纖維結構，其表面有較多的細小顆粒，較為粗糙，具有一定的孔隙結構。酸堿洗脫處理后生物炭的表面形貌變化不大，說明洗脫處理對表面形貌的影響不大。生物炭經酸堿洗脫處理后，固定碳含量(質量分數，下同)有所增加，揮發分含量從7.58%降至5.71%和5.62%，而灰分從4.95% 大幅降低至2.25%和2.77%，說明生物炭表面的灰分等副產物被洗脫處理去除掉一部分(表1)。元素分析表明兩種洗脫處理對生物炭的元素含量及原子比也有顯著影響。洗脫處理后，N元素的含量變化不大，但是H的含量均增加3倍左右，C元素含量和O元素含量則略有增加。這也造成H/C原子比從0.26升高為0.69(BC-HCl)和0.67(BC-NaOH)，O/C原子比從3.06分別升至4.94(BC-HCl)和3.21(BC-NaOH)。這是由于洗脫處理增加了生物炭表面含氧官能團的含量，減少了表面芳香官能團的含量，表明洗脫處理能夠降低生物炭的疏水性并且增加炭的極性，這也許不利于其吸附性能的提高[16]。

表1 洗脫處理前后生物炭的元素分析與工業分析

圖2 洗脫處理前后生物炭的紅外光譜圖

表2 洗脫處理前后生物炭的XPS分析

圖3 洗脫處理前后生物炭的C1s 分峰能譜圖

比表面積的大小是影響吸附性能另一個重要因素。圖4展示了洗脫處理前后生物炭的N2等溫吸附曲線，表3展示了洗脫處理前后生物炭BET比表面積的變化。經過酸洗脫處理，生物炭的比表面積、總孔容及平均孔徑幾乎都沒有發生變化，說明酸洗脫處理對生物炭的孔隙結構影響不大。有文獻指出，酸洗可以去除位于生物炭表面孔徑隧道中的灰分，導致較大的孔徑隧道發生坍塌，形成更多的小尺寸孔徑，進而增大生物炭的比表面積，增強其吸附性能[13]。然而，文獻中的洗脫液濃度一般為1 mol/L，本研究中所用酸洗脫液濃度非常低，因此灰分去除得并不徹底，并沒有造成孔徑隧道坍塌，孔隙結構變化不大。然而，堿洗脫處理稍微增加了生物炭的比表面積(從135.1 m2/g增至153.3 m2/g)，總孔容也從0.108 cm3/g增至0.165 cm3/g，平均孔徑從3.3 nm增至4.3 nm。通常情況下，孔隙結構越發達，比表面積越大，生物炭的吸附性能越好。但是，比表面積并不是影響吸附性能的唯一因素，生物炭的碳結構、表面官能團等均會影響其吸附能力。

圖4 洗脫處理前后生物炭的N2等溫吸附曲線圖

表3 洗脫處理前后生物炭的比表面積和孔結構參數

2.2 洗脫處理對生物炭吸附四環素吸附特性的影響

四環素的吸附試驗表明，原始生物炭的吸附去除率為62.0%，酸堿洗脫處理之后去除率分別降低到51.0%和53.5%(圖5a)，說明洗脫處理降低了生物炭的吸附性能，且BC-HCl的吸附性能略低于BC-NaOH，這可能是由于前者的比表面積略小于后者。為了進一步說明生物炭對四環素的吸附能力，還采用Langmuir模型和Freundlich模型對吸附平衡試驗結果進行擬合計算，結果如圖5b和表4所示。Freundlich模型描述的是在非均勻表面的物理吸附和化學吸附[17-18]，其中KF越大，1/n越小，則吸附能力越強。而Langmuir模型描述的是在均勻表面的單分子層吸附[18-19]，RL是可以反映等溫吸附程度的無量綱系數，其中0

圖5 洗脫處理前后生物炭對四環素的吸附去除率和吸附等溫線

表4 洗脫處理前后生物炭對四環素吸附等溫線的擬合參數

結合前面對生物炭的表征分析結果可知，即便BC-NaOH的比表面積略大于BC，其吸附去除效率仍然比BC要小，說明孔填充作用并不是主要的吸附機理。通過對生物炭的表征分析可知，洗脫處理之后其表面含氧官能團含量增加，表面疏水性降低且極性升高。通常來講，這有利于生物炭通過氫鍵作用或者偶極-偶極作用吸附有機物分子，而試驗結果表明洗脫處理之后生物炭的吸附性能反而降低了，說明氫鍵作用或者偶極-偶極作用也不是主要的吸附機理。生物炭對四環素的吸附機理主要有物理吸附、氫鍵作用以及π-π堆積作用，推測π-π堆積作用可能是生物炭吸附四環素的主要吸附機理[15,20]。四環素具有苯環結構，可以作為π電子受體，而生物炭具有類石墨烯結構，可以作為π電子供體。XRD的結果表明BC、BC-HCl和BC-NaOH的石墨化程度并無明顯變化，即洗脫處理并不能改變生物炭的碳結構(圖6)。因此，應該還有其他對吸附起作用的具有苯環結構的物質。

圖6 洗脫處理前后生物炭的XRD光譜圖

生物炭在制備過程中會伴隨生成一些副產物，比如無機鹽、焦油、醋液等，其中一些熱解副產物會被生物炭原位吸附到表面，由此猜測洗脫處理可能溶解掉一部分被吸附到生物炭表面的具有芳香結構的熱解副產物。這類熱解副產物也可以作為π電子供體與四環素分子發生π-π堆積作用，從而促進生物炭對四環素的吸附。將洗脫液收集之后用紫外分光光度計進行表征，結果如圖7所示，洗脫液在230～300 nm處有一個吸收峰，歸屬于具有單苯環結構的芳香族化合物，說明洗脫處理的確溶解掉了部分具有苯環結構的熱解副產物。

圖7 洗脫液的紫外分光光度計譜圖

3 結 論

1)酸堿洗脫處理均對生物炭的結構有影響：元素分析表明洗脫處理后生物炭的H和O元素的含量增加，H/C和O/C的原子比都增大；紅外光譜及XPS分析表明這是由于其表面含氧官能團的含量增加，說明洗脫處理能夠降低生物炭的疏水性和增加炭的極性；孔隙結構分析結果說明堿洗脫處理對生物炭孔隙結構的影響比酸洗脫處理要大，但總體而言稀酸及稀堿洗脫處理對生物炭的孔隙結構影響都不大，可能是因為所用洗脫液濃度較低；XRD分析說明酸堿洗脫處理對生物炭的碳結構幾乎沒有影響。

2)BC、BC-HCl和BC-NaOH對四環素的吸附去除率分別為62.0%，51.0%和53.5%，表明酸堿洗脫處理均降低了生物炭的吸附性能；吸附擬合計算表明此吸附過程是比較容易發生的，而Freundlich模型比Langmuir模型擬合得更好，說明生物炭對四環素的吸附過程主要是多分子層吸附；生物炭吸附四環素的主要吸附機理是π-π堆積作用，結合對生物炭結構的分析，發現洗脫處理后其吸附性能的降低主要是由于洗脫處理去除掉部分被吸附到生物炭表面的具有芳香結構的熱解副產物。