郜禮陽(yáng),鄧金環(huán),唐國(guó)強(qiáng),黃祥能,蔡昆爭(zhēng),2,蔡一霞,2,黃 飛,2*

?

不同溫度桉樹葉生物炭對(duì)Cd2+的吸附特性及機(jī)制

郜禮陽(yáng)1,鄧金環(huán)1,唐國(guó)強(qiáng)3,黃祥能1,蔡昆爭(zhēng)1,2,蔡一霞1,2,黃 飛1,2*

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,廣東 廣州 510642；2.農(nóng)業(yè)部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,廣東 廣州 510642)

通過(guò)元素分析、BET-N2、Zeta電位、Boehm滴定,SEM-EDS、FTIR等分析方法對(duì)不同熱解溫度(300、500和700℃)下制備的桉樹葉生物炭進(jìn)行表征,研究了3種生物炭(BC300、BC500和BC700)對(duì)Cd2+的吸附特性與機(jī)制.結(jié)果表明,隨溫度升高,生物炭產(chǎn)率下降,灰分、pH值和Zeta負(fù)電荷量上升,比表面積增大.當(dāng)Cd2+濃度為20mg/L時(shí),平衡時(shí)間依次為80min(BC700)<360min(BC500)<540min(BC300),均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(2>0.98),以化學(xué)吸附為主.BC300和BC500吸附過(guò)程均符合Langmuir和Freundlich模型,BC700更符合Freundlich模型,最大吸附量依次為BC700(94.32mg/g)>BC500(67.07mg/g)>BC300(60.38?mg/g).在Boehm滴定結(jié)果分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合FTIR和 SEM-EDS,表明生物炭吸附機(jī)制主要為靜電吸附和官能團(tuán)絡(luò)合作用.BC700吸附性能最佳,原因可能是具有較大的比表面積、較多的負(fù)電荷量和較為豐富的官能團(tuán).

桉樹葉；生物炭；鎘；熱解溫度；吸附特性

熱解溫度不僅影響生物炭的表面結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),還影響其對(duì)重金屬的吸附性能[3-4].研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的升高(300~700℃),生物炭比表面積增大,但升高至700℃時(shí)比表面積反而降低,表明高溫對(duì)生物炭表面孔隙結(jié)構(gòu)有顯著影響[3].陳寶梁等[4]發(fā)現(xiàn)松針葉生物炭隨著溫度升高(100~700℃),比表面積迅速增加,芳香性劇增,極性降低,生物炭從“軟質(zhì)碳”過(guò)渡到“硬質(zhì)碳”,可見溫度是決定生物炭表面性質(zhì)的重要因素.另外,不同熱解溫度制備的生物炭對(duì)重金屬的吸附性能也存在較大差異[5-7].比如,戴靜等[5]以木屑、米糠、稻稈和玉米秸稈為原料,研究五種熱解溫度(300~700℃)下制備生物炭對(duì)Cd2+的吸附特性,發(fā)現(xiàn)所有700℃下制備的生物炭吸附效果最佳,與原材料來(lái)源不同無(wú)關(guān);類似地,李力等[8],Li等[7]和楚穎超等[9]分別發(fā)現(xiàn)700℃高溫制備的玉米秸稈、鳳眼蓮秸稈和椰纖維等生物炭對(duì)水中重金屬吸附去除效果最佳;但是,也有學(xué)者研究表明低溫300℃制備生物炭對(duì)重金屬的吸附效果最佳[6,10-11].以上這些報(bào)道以及其他研究[12-13]表明,何種溫度范圍內(nèi)(高溫、中溫、低溫)制備的生物炭吸附重金屬的性能最佳,尚存在爭(zhēng)議,這是因?yàn)椴煌瑹峤鉁囟仁沟蒙锾靠紫督Y(jié)構(gòu)、帶電量和表面官能團(tuán)等性質(zhì)不同,從而決定生物炭吸附性能的差異.而且,不同溫度生物炭的理化性質(zhì)與其對(duì)Cd2+吸附特性之間的相互關(guān)系,尚不明確.

桉樹,作為一種速生豐產(chǎn)樹種,是我國(guó)三大造林樹種之一,同時(shí)作為紙漿材和纖維材樹種在華南等地區(qū)廣泛種植,但桉樹主產(chǎn)區(qū)廢棄的大量樹葉造成了極大的浪費(fèi).本文以桉樹葉為原材料,分別在300、500和700℃下制備生物炭,研究不同熱解溫度對(duì)生物炭理化性質(zhì)的影響,以及不同Cd2+濃度和不同吸附時(shí)間對(duì)生物炭吸附的影響,并結(jié)合元素分析、BET-N2、Zeta電位、Boehm滴定、SEM-EDS、FTIR等多種技術(shù)手段分析生物炭的吸附特性與機(jī)理,以期對(duì)桉樹葉資源化利用和水體重金屬污染治理提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 生物炭的制備

桉樹葉取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)農(nóng)場(chǎng),自然風(fēng)干2d后置于烘箱中(48h,75℃),然后將桉樹葉裝入熱解盒并置于馬弗爐中,分別在300、500和700℃下限氧熱解2h,研磨過(guò)篩(0.3mm),密封保存于干燥器中以備用.原材料與生物炭分別標(biāo)記為CK和BC300、BC500、BC700.

1.2 生物炭的表征

生物炭的產(chǎn)率為制備前后的質(zhì)量比,灰分由灼燒法測(cè)定,pH值用pH計(jì)測(cè)定,炭水比為1:20g/mL.表面Zeta電荷采用Zeta電位分析儀測(cè)定(Zetasizer Nano ZS90,英國(guó)Malvern);元素組成采用元素分析儀測(cè)定(Vario EL cube,德國(guó)Elementar);比表面積采用全自動(dòng)比表面與孔徑分析儀測(cè)定(ASIQMO002-2,美國(guó)Quantachrome);原材料及生物炭表面的形貌特征采用電鏡能譜儀(SEM-EDS)進(jìn)行觀察與分析(Nova Nano SEM 430,荷蘭FEI);原材料及生物炭表面官能團(tuán)的變化通過(guò)傅立葉紅外光譜(FTIR)儀測(cè)定進(jìn)行定性分析(VERTEX 70,德國(guó)Bruker),掃描波數(shù)范圍500~4000cm-1;同時(shí)利用Boehm滴定法進(jìn)行定量分析,在不同pH值范圍內(nèi)(3~7),稱取1.0g生物炭并分別加入25mL 0.05mol/L的NaOH、Na2CO3、NaHCO3和HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液,150r/min恒溫震蕩24h后進(jìn)行滴定試驗(yàn)[14].

1.3 吸附試驗(yàn)

1.3.1 pH值對(duì)吸附的影響 前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),生物炭最佳吸附條件為固液比1g/L和轉(zhuǎn)速150r/min(數(shù)據(jù)未顯示).設(shè)定固液比為1g/L,在pH值為3~7范圍內(nèi),準(zhǔn)確稱取0.02g生物炭于初始Cd2+濃度為20mg/L的溶液中,150r/min振蕩24h后取樣,測(cè)定Cd2+濃度.

1.3.2 吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn) 稱取0.02g生物炭于含不同Cd2+濃度(20、50和100mg/L)pH為6.0的溶液中,進(jìn)行振蕩吸附試驗(yàn),分別在不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行取樣,測(cè)定其Cd2+濃度.

對(duì)各種地理水紋記號(hào)進(jìn)行匯總、劃分、歸類后，引入視覺傳達(dá)藝術(shù)的設(shè)計(jì)方法，并融入我國(guó)傳統(tǒng)水文化中的創(chuàng)意元素，進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)，填補(bǔ)地理水紋記號(hào)的空缺；然后依據(jù)我國(guó)水利信息化的要求，進(jìn)行數(shù)字化處理；最后再對(duì)整理后的結(jié)果進(jìn)行處理，向水利信息化靠攏，最終形成一套完整的系統(tǒng)。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[15]:

準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型[15]:

式中:e,Q分別為吸附平衡和吸附時(shí)間為時(shí)的吸附容量,mg/g;為吸附時(shí)間,min;1為準(zhǔn)一級(jí)吸附速率常數(shù),min-1;2為準(zhǔn)二級(jí)吸附速率常數(shù), g/(mg·min).

1.3.3 吸附等溫線試驗(yàn) 設(shè)定溶液初始pH值為6,將生物炭加入含不同Cd2+濃度(10~250mg/L)的20mL溶液中,進(jìn)行振蕩吸附試驗(yàn),12h后(已超過(guò)吸附平衡時(shí)間)進(jìn)行采樣,并測(cè)定其Cd2+濃度.

Langmuir模型[11]:

Freundlich模型[11]:

式中:e和m分別為平衡吸附量和最大吸附量, mg/g;e為平衡濃度,mg/L;L為L(zhǎng)angmuir常數(shù), L/g,與吸附強(qiáng)度有關(guān);F和n為Freundlich常數(shù),分別與吸附量和吸附強(qiáng)度有關(guān).

1.3.4 解吸試驗(yàn) 準(zhǔn)確稱取0.03g生物炭于含Cd2+濃度20mg/L的溶液中,進(jìn)行吸附試驗(yàn),然后采用1mol/L HCl為解吸劑,將已固載Cd2+的生物炭分別加入不同pH值(1~7)的溶液中進(jìn)行解吸,并測(cè)定其Cd2+濃度.

2 結(jié)果

2.1 熱解溫度對(duì)生物炭性質(zhì)的影響

不同熱解溫度制備生物炭的主要理化性質(zhì)見表1.隨溫度升高,3種生物炭產(chǎn)率逐步下降(55.64%~29.77%),灰分含量逐漸增加(4.84%~ 13.90%), pH值升高且均呈堿性(7.17~10.96).與原材料CK相比,生物炭中C、N含量上升,O、H下降,H/C比值下降.值得注意的是,生物炭的表面均帶負(fù)電荷,且電荷量隨溫度升高而增加(-17.50~-34.60mV),這可能將有利于帶正電荷的重金屬離子如Cd2+通過(guò)靜電作用吸附于其表面;3種生物炭孔徑隨溫度升高而減小,孔體積增大,比表面積增大(6.08~41.42m2/g),其中BC700比表面積為41.42m2/g,是原材料的16.70倍,這就有可能為溶液中Cd2+的去除提供更多的吸附位點(diǎn).后續(xù)SEM的觀察結(jié)果也可以驗(yàn)證這一點(diǎn)(圖5).

表1 生物炭的理化性質(zhì)

2.2 pH值對(duì)生物炭吸附的影響

當(dāng)pH值由3升至6時(shí),生物炭BC300、BC500和BC700的吸附量分別從8.52、10.50和14.10?mg/g上升到10.79、13.53和19.96mg/g,隨后均有所下降(圖1a).在同樣的pH值范圍內(nèi)(3~7),吸附前后的生物炭表面酸性官能團(tuán)變化,BC700變化幅度均大于其他兩種生物炭(圖1b).

圖1 pH值對(duì)生物炭吸附Cd2+的影響

2.3 吸附試驗(yàn)

2.3.1 吸附動(dòng)力學(xué) 如圖2所示,當(dāng)初始濃度為20mg/L時(shí),生物炭的吸附平衡時(shí)間分別約為80min(BC700)<360min(BC500)<540min(BC300),BC700幾乎在投加瞬時(shí)即達(dá)到吸附最大量且基本平衡,BC500和BC300的吸附量先是隨時(shí)間增加快速增長(zhǎng),后增幅降低并逐漸趨于平衡(圖2a);當(dāng)初始濃度較高時(shí),3種生物炭在吸附過(guò)程中明顯發(fā)生了不同程度的解吸,隨后進(jìn)行二次吸附并逐漸達(dá)到平衡(圖2b,c).3種初始Cd2+濃度條件下,吸附能力大小順序?yàn)锽C700> BC500>BC300.采用準(zhǔn)一級(jí)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),吸附過(guò)程均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型(表2).

2.3.2 吸附等溫線 隨初始Cd2+濃度增大,3種生物炭的吸附量不斷上升,最終趨于平衡,但去除率卻逐漸降低(圖3),其最大吸附量依次為BC700(94.32mg/g)>BC500(67.07mg/g)>BC300(60.38mg/g),最大去除率順序?yàn)锽C700(98.97%)> BC500(82.85%)>BC300(72.03%).采用Langmuir和Freundlich模型進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),兩種模型均能較好地描述BC300和BC500的吸附行為,而BC700更符合Freundlich模型(表3).

2.3.3 解吸試驗(yàn) 生物炭BC700在pH值由1.0升至4.0時(shí),解吸率從85.3%降低至56.3%;在pH值在4.0~7.0范圍內(nèi),解吸率無(wú)明顯變化.類似地,生物炭BC500和BC300在pH值由1.0上升至4.0時(shí),解吸率分別從66.8%降至25.2%、54.2%降至28.7%;最終在pH值范圍6~7內(nèi),解吸達(dá)到平衡(圖4).

表2 吸附動(dòng)力學(xué)模型擬合參數(shù)

圖3 生物炭對(duì)Cd2+的等溫吸附(a)及模型擬合(b)

表3 吸附等溫線擬合

2.4 SEM-EDS與FTIR分析

相比原材料CK(圖5a),3種生物炭表面較為粗糙,孔狀結(jié)構(gòu)明顯(圖5b,c,d).隨著熱解溫度的升高,生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)達(dá),尤其當(dāng)溫度升至500和700℃時(shí),表面已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的孔隙結(jié)構(gòu),排列更加規(guī)則致密,這使生物炭具有較大的比表面積,從而增大了其吸附潛力.這與前面的BET-N2比表面積測(cè)試結(jié)果相吻合(表1).另外,EDS能譜分析顯示,生物炭吸附后表面附著有含Cd化合物(圖5e,f,g).

圖4 不同pH下生物炭對(duì)Cd2+的解吸

對(duì)比吸附前后的紅外圖譜(圖6),BC300在1620cm-1附近的C=C伸縮振動(dòng)峰、1369.23cm-1處C=O伸縮振動(dòng)和800~700cm-1之間的C-H彎曲振動(dòng)等明顯減弱,表明C=C、C=O、C-H等官能團(tuán)可能參與了生物炭對(duì)Cd2+的絡(luò)合作用[6,16]. BC500在3403.19cm-1和1575.84cm-1等處峰強(qiáng)發(fā)生明顯的位移,這可能是-OH與Cd2+進(jìn)行了表面絡(luò)合吸附且有碳酸鹽(C=O)沉淀生成[17]. BC700在1797.89cm-1(C=O)和1030.41cm-1(C-O)處吸收峰處的位置分別遷移至1794.86cm-1和1020.09cm-1,說(shuō)明含氧官能團(tuán)在吸附過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[18];在3422.50cm-1(-OH)處吸收峰消失,說(shuō)明-OH被Cd2+占據(jù),分子內(nèi)-OH中的氫鍵作用力減小,可見離子交換在BC700吸附中可能起著一定的作用[19];此外, 1429.51cm-1(C=C)處吸收峰遷移至1432.71cm-1,說(shuō)明原有的π共軛芳香結(jié)構(gòu)與Cd2+形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),即陽(yáng)離子－π作用可能存在于BC700的吸附過(guò)程中[8].綜合以上分析,3種生物炭與Cd2+發(fā)生絡(luò)合作用的主要官能團(tuán)分別為C=C、C=O、C-H(BC300),-OH、C=O(BC500),-OH、C=O、C=C、C-O(BC700).由此可見,BC700有較多的官能團(tuán)參與了吸附過(guò)程,也與Boehm滴定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合(圖1b).

圖6 生物炭吸附前后的紅外光譜圖

圖5 生物炭吸附前后的電鏡能譜圖

a: CK;b: BC300;c: BC500;d: BC700; e: BC300+Cd;f: BC500+Cd;g: BC700+Cd

3 討論

3.1 熱解溫度對(duì)桉樹葉生物炭表面性質(zhì)的影響

本研究中,隨溫度升高,生物炭產(chǎn)率逐步下降,原因可能是原料中纖維素、大量揮發(fā)分和低沸點(diǎn)物質(zhì)的不斷析出[20];灰分含量增加,可能是熱解過(guò)程中析出堿金屬的量逐漸增加造成的[21];pH值升高且均呈堿性,可能是由于溫度升高導(dǎo)致酸性物質(zhì)逐漸揮發(fā),一些弱酸酸鹽逐漸熔合形成堿性物質(zhì)造成的[22].但是,也有部分研究者[12,23]發(fā)現(xiàn)低溫(200~400℃)制備的玉米秸稈、小麥秸稈和污泥等生物炭的pH值為酸性,分別為5.88、6.11和4.87.

熱解溫度與生物炭特性的相關(guān)性分析表明(表4),熱解溫度與生物炭的產(chǎn)率、Zeta電位、H/C比之間有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為-0.981、-0.986和-0.991,這說(shuō)明熱解溫度對(duì)生物炭的產(chǎn)率、Zeta電位和H/C比值的影響顯著.相反,熱解溫度與灰分、pH值之間有著極顯著的正相關(guān)關(guān)系(<0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.995和0.977.類似地,簡(jiǎn)敏菲等[1]研究不同熱解溫度對(duì)稻稈生物炭特性的影響,發(fā)現(xiàn)熱解溫度與產(chǎn)率、灰分、揮發(fā)分、pH值、元素含量(C/H/O/N)、H/C和O/C等關(guān)系顯著.

表4 生物炭特性與熱解溫度的相關(guān)性分析

3.2 桉樹葉生物炭對(duì)Cd2+的吸附特性

關(guān)于吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程,大多數(shù)研究者[24-26]認(rèn)為重金屬吸附過(guò)程首先是表面快速吸附階段,隨后進(jìn)入慢吸附階段,由吸附劑表面經(jīng)孔擴(kuò)散與內(nèi)部的活性位點(diǎn)結(jié)合,整個(gè)過(guò)程伴隨不同程度的Cd2+釋放.本研究發(fā)現(xiàn),準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程的2均大于0.98(表2),且三種生物炭(BC300、BC500和BC700)的理論平衡吸附量(e)與實(shí)際吸附量(exp)非常接近,平均相對(duì)誤差分別為1.2%、1.5%和2.2%,說(shuō)明吸附過(guò)程均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,以化學(xué)吸附為主.而且,在3種初始Cd2+濃度下(20、50和100?mg/L),BC700的2均大于其他兩種生物炭,說(shuō)明BC700能較早地達(dá)到吸附平衡,這與吸附平衡時(shí)間的結(jié)果相吻合(圖2).

通過(guò)Langmuir方程可以計(jì)算分離因子L(L=1/(1+KLC0)),當(dāng)0

表5 不同吸附劑對(duì)Cd2+的吸附容量

不同熱解溫度和生物質(zhì)來(lái)源制備的生物炭對(duì)Cd2+的吸附能力往往存在較大的差異(表5).比如,王震宇等[6]采用農(nóng)業(yè)廢棄物(花生殼)為原材料制備生物炭,發(fā)現(xiàn)300℃生物炭的最大吸附量為14.93mg/g;Park等[29]采用林業(yè)廢棄物(火炬松樹枝)為原料制備生物炭,300℃生物炭的最大吸附量為167.3mg/g;鄭凱琪等[2]以工業(yè)廢棄物(污泥)為原材料制備生物炭,發(fā)現(xiàn)500℃生物炭最大吸附量為1.45mg/g.同時(shí),一些學(xué)者以其他廢棄物為原材料制備生物炭,均發(fā)現(xiàn)熱解溫度對(duì)生物炭吸附Cd2+的影響較為顯著[6,9].本研究中,3種生物炭對(duì)Cd2+的最大吸附量分別60.38、67.07和94.32mg/g,可作為一種具有較大應(yīng)用潛力的吸附劑.

3.3 桉樹葉生物炭對(duì)Cd2+的吸附機(jī)制

有關(guān)生物炭對(duì)重金屬離子的吸附機(jī)制,目前的研究主要包括:(1)生物炭表面灰分中含有的無(wú)機(jī)礦物離子(PO43-,CO32-和SiO32-等)與重金屬離子的沉淀作用,形成碳酸鹽、磷酸鹽或硅酸鹽的沉淀[30-31];(2)生物炭表面中含氧官能團(tuán)(如R-OH、R-OOH等)與重金屬離子的進(jìn)行螯合作用,形成螯合物[32-33];(3)生物炭中含有的無(wú)機(jī)鹽離子(K+、Ca2+、Na+和Mg2+等)或部分官能團(tuán)(-COOM、-R-O-M等)與重金屬離子進(jìn)行離子交換,從而去除重金屬離子[34-35];(4)生物炭中含有的π電子(C=C、C≡C等)與重金屬離子的配鍵作用,從而固定重金屬離子[10,12];(5)其他還未發(fā)現(xiàn)的機(jī)制[36].本試驗(yàn)中,3種生物炭的表面負(fù)電荷量較大,為生物炭以靜電吸附形式吸附Cd2+提供了較大的可能.同樣地,生物炭可以通過(guò)表面帶負(fù)電荷基團(tuán)與溶液中帶正電荷的重金屬離子之間產(chǎn)生靜電作用,從而去除重金屬離子[37].同時(shí), FTIR譜圖分析和Boehm滴定試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn), -OH、C-O、C=O等含氧官能團(tuán)可能參與了生物炭對(duì)重金屬的吸附絡(luò)合過(guò)程,且BC700有較多的酸性官能團(tuán)參與了吸附過(guò)程.Cao等[10]發(fā)現(xiàn)牛糞生物炭對(duì)Pb2+的去除機(jī)制,主要是官能團(tuán)如羧基與Pb2+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)生成沉淀.另外,還有一些學(xué)者報(bào)道生物炭灰分中的無(wú)機(jī)鹽離子(PO43-和CO32-)與Cd2+的沉淀作用,也是一種重要的吸附機(jī)制[12,30-31],其中Zhang等[12]推斷可能是CdCO3或者Cd3(PO4)2沉淀物.值得注意的是,王俊超等[11]研究墊料生物炭對(duì)Cd2+的吸附機(jī)制,發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子-π作用機(jī)制占主要地位,這也可能是本研究中BC700吸附后在芳環(huán)特征吸收峰1600~1400cm-1和900~700cm-1處發(fā)生較大位移的原因,從而造成BC700吸附性能優(yōu)于BC500和BC300[6].

結(jié)合吸附特性試驗(yàn)的結(jié)果,桉樹葉生物炭的吸附機(jī)制主要包括多分子層的靜電吸附和官能團(tuán)絡(luò)合機(jī)制,沉淀機(jī)制和Cd2+-π作用也可能存在.此外,生物炭BC700對(duì)Cd2+的吸附效果明顯優(yōu)于BC500和BC300,推斷原因可能是:BC700具有較多的負(fù)電荷量、較大的比表面積和較多的官能團(tuán)參與了Cd2+的絡(luò)合作用.

4 結(jié)論

4.1 隨著熱解溫度升高,3種生物炭產(chǎn)率逐步下降,灰分升高,pH值均呈堿性并高,Zeta負(fù)電荷量上升,比表面積逐漸增大而孔徑減小.其中,溫度與產(chǎn)率、灰分、pH值、Zeta電位和元素H/C比等生物炭性質(zhì),關(guān)系尤為顯著.

4.2 動(dòng)力學(xué)過(guò)程均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,以化學(xué)吸附為主.吸附平衡時(shí)間的順序?yàn)锽C700< BC500BC500>BC300.

4.3 生物炭對(duì)Cd2+的吸附機(jī)制主要為多分子層的表面靜電吸附和官能團(tuán)絡(luò)合作用.在300~ 700 ℃范圍內(nèi),高溫條件下制備的桉樹葉生物炭BC700對(duì)Cd2+具有較強(qiáng)的吸附能力,可作為水體中Cd2+的優(yōu)勢(shì)吸附材料之一.

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Adsorption characteristics and Mechanism of Cd2+on biochar with different pyrolysis temperatures produced from eucalyptus leaves.

GAO Li-yang1, DENG Jin-huan1, TANG Guo-qiang3, HUANG Xiang-neng1, CAI Kun-zheng1,2, CAI Yi-xia1,2, HUANG Fei1,2*

(1.College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；2.Key Laboratory of Tropical Agro-Environment, Ministry of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China；3.College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)., 2018,38(3)：1001~1009

Three types of biochar were generated from eucalyptus leaves under different pyrolysis temperatures of 300, 500and 700℃(referred as BC300, BC500and BC700), and their surface characteristics and Cd(II) adsorption processes were investigated using element analysis, BET-N2, Zeta analysis, Boehm titration, SEM-EDS, FTIR and other analytical methods. The results showed that as pyrolysis temperature increased, the yields decreased, but the ash content, pH, specific surface area and Zeta potential increased. The adsorptive capacity followed in the order of BC700 (94.32mg/g), BC500 (67.07mg/g) and BC300 (60.38mg/g), and both Langmuir and Freundlich models were reasonable to describe the adsorption behavior of BC300and BC500, but Freundlich model was more suitable to describe the adsorption processes of BC700. Adsorption kinetic showed the equilibrium time followed by 540min (BC300), 360min (BC500) and 80min (BC700), which were better fitted by pseudo-second order model (2>0.98) indicating the adsorption was mainly chemical. The results of FTIR and Boehm titration indicated that the spectra of BC700incurred more changes than those of other biochars, which suggested more functional groups were involved in the adsorption including -OH、C=O、C=C、C-O groups. BC700biochar are more effective than other biochars to remove Cd2+, which was due to larger specific surface, more negative charge amount and functional groups. Based on the studies above, the removal of Cd2+were mainly by surface electrostatic adsorption and chelation.

eucalyptus leaves；biochar；cadmium；pyrolysis temperature；adsorption characteristics

X703

A

1000-6923(2018)03-1001-09

郜禮陽(yáng)(1988-),男,河南濮陽(yáng)人,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事重金屬污染水體的生態(tài)修復(fù)研究.

2017-07-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(41501338);廣東省自然科學(xué)基金(2014A030310320);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFD0801000)

* 責(zé)任作者, 講師, feihuang@scau.edu.cn