孟雅靜 王曉雨 溫海蓮 買(mǎi)兆豐 吳啟康 肖朝虎

摘要：以Cr6+的清除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究不同時(shí)間、溫度、配比條件下的生物炭吸附性能，優(yōu)化玉米秸稈與甘蔗渣生物炭的制備過(guò)程。采用單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)研究生物炭的吸附性能，單因素試驗(yàn)是研究炭化時(shí)間、炭化溫度、生物炭配比對(duì)生物炭吸附性能的影響。正交試驗(yàn)是通過(guò)單因素試驗(yàn)選取比較優(yōu)異的試驗(yàn)條件進(jìn)行L9（34）的正交試驗(yàn)，通過(guò)分析比較得出最佳試驗(yàn)條件。單因素試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率在炭化時(shí)間1.5 h，炭化溫度500 ℃，生物炭配比0.50∶0.50時(shí)達(dá)到最高；正交試驗(yàn)極差分析和方差分析發(fā)現(xiàn)，炭化時(shí)間對(duì)Cr6+的吸附性能影響比較顯著，而炭化溫度、生物炭配比對(duì)Cr6+的吸附性能影響不顯著，最佳吸附條件為炭化時(shí)間2.0 h，炭化溫度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50，在此條件下制備的混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率可達(dá)88.74%。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；甘蔗渣；六價(jià)鉻離子；吸附

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.16693/j.cnki.1671-9646（X）.2018.03.001

文章編號(hào)：1671-9646（2018）03a-0001-03

Abstract：The preparation process of bio-carbon from corn stalk and bagasse was optimized by using the scavenging rate of Cr6+ as an index to study the adsorption of biochar under different conditions including time，muffle temperature and biochar ratio. The adsorption properties of biochar were studied by single factor method and orthogonal method. Single factor method studied the effect of time，temperature and proportion of biochar. By selecting single factor method，the excellent times，muffle temperature and biochar ratios were selectde，and then the orthogonal experiment of L9（34） was carried out，and the best experimental conditions were found through analysis and comparison. Single factor experiment found that the highest removal rate of Cr6+ in aqueous solution was carbonization time 1.5 h，the temperature 500 ℃，and the ratio 0.50∶0.50. The orthogonal experiment analysis and variance analysis showed that carbonization time had a significant effect on the adsorption performance of Cr6+，and the effect of muffle temperature and biochar ratio were not significant. The optimum adsorption condition was carbonization time 2.0 h，muffle temperature 450 ℃，and biochar ratio 0.50∶0.50. On this condition，the clearance rate of mied biochar for Cr6+ was 88.74%.

Key words：corn stover；bagasse；Cr6+；adsorption

我國(guó)是玉米產(chǎn)量第一大國(guó)，玉米秸稈包括玉米的莖稈、葉梢和芯，是玉米收獲后的副產(chǎn)物，每年都會(huì)有大量玉米秸稈產(chǎn)出[1-2]。甘蔗渣是甘蔗榨出糖汁的剩余物，是一種用途廣泛、獲取成本低廉的生物質(zhì)纖維原料。而且中國(guó)是世界上甘蔗產(chǎn)量第三大國(guó)，每年的甘蔗渣產(chǎn)量超過(guò)2 000×104 t[3]。我國(guó)的玉米秸稈除少部分作為草食動(dòng)物的飼料、肥料、基料外，大約有70%作為燃料焚燒或直接翻入土壤中還田[2]。除少部分甘蔗渣作為發(fā)酵原料回收或者作為食草動(dòng)物飼料之外[4]，大部分作為垃圾回收。玉米秸稈和甘蔗渣主要成分為纖維素、中纖維素、木質(zhì)素與其他有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)鹽離子[5-6]，作為天然的炭源，開(kāi)發(fā)利用玉米秸稈、甘蔗渣生物炭作為新型活性吸附材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 原料及藥品

玉米秸稈、甘蔗渣、高錳酸鉀，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠提供；硫酸，白銀銀環(huán)化學(xué)試劑廠提供；氨水，天津市百世化工有限公司提供；重鉻酸鉀，天津市福晨化學(xué)試劑廠提供；二苯炭酰二肼，天津市天新精細(xì)化工開(kāi)發(fā)中心提供。

1.2 儀器

7J-2型電熱磁力攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司產(chǎn)品；JA2103N型電子天平，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；SRJX-4-13型馬弗爐，北京科偉永興儀器有限公司產(chǎn)品；HT-1102C型搖床，上海知楚儀器有限公司產(chǎn)品；T6型新世紀(jì)紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集及預(yù)處理

將玉米秸稈與甘蔗渣風(fēng)干除去水分，粉碎成粉末，裝入密封袋中備用。

1.3.2 生物炭的制備

分別準(zhǔn)確稱量5.00 g的玉米秸稈和甘蔗渣依次放入坩堝中，然后將樣品放入馬弗爐中，以不同炭化溫度（350，400，450，500，550 ℃）和不同炭化時(shí)間（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h）制備得到不同條件下的生物炭，備用。

1.3.3 吸附性試驗(yàn)

配制1.0 mg/L重鉻酸鉀溶液，在6個(gè)錐形瓶中分別加入100 mL重鉻酸鉀溶液，然后再分別加入1.00 g不同條件下制備得到的混合生物炭，在30 ℃，200 r/min的條件下混合振蕩9 h，過(guò)濾，根據(jù)國(guó)標(biāo)法（GB 2771—1987）分別檢測(cè)吸附后的混合溶液，以Cr6+的清除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如（1）：

式中：W——重鉻酸鉀溶液中Cr6+的清除率，%；

m1——吸附試驗(yàn)前樣品中Cr6+的含量，mg；

m2——吸附試驗(yàn)后樣品中Cr6+的含量，mg。

1.3.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.3.2與1.3.3的試驗(yàn)方法，研究在炭化溫度、炭化時(shí)間與生物炭配比3個(gè)條件下生物炭對(duì)Cr6+的清除率。

單因素試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

1.3.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步優(yōu)化玉米秸稈與甘蔗渣生物炭最佳制備條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以玉米秸稈和甘蔗渣的炭化時(shí)間、炭化溫度、生物炭配比為影響因素，采用L9（34）進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

1.3.6繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

以Cr6+標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度（mg/mL）為橫坐標(biāo)，吸光度（A）為縱坐標(biāo)，根據(jù)GB 7486—1987繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。紫外分光光度計(jì)檢測(cè)的吸光度與Cr6+含量呈線性關(guān)系，回歸方程為Y=0.745X+0.001 4，回歸系數(shù)R2=0.992 7，線性度較好。

Cr6+質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖1。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

單因素試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

2.1.1 炭化時(shí)間對(duì)Cr6+清除率的影響

設(shè)定生物炭比例0.50∶0.50，炭化溫度450 ℃，研究玉米秸稈和甘蔗渣在不同炭化時(shí)間（1.0， 1.5，2.0， 2.5，3.0 h）下制備得到的生物炭對(duì)Cr6+的清除率，結(jié)果如圖2（a）所示，在1.0 h和1.5 h下的生物炭對(duì)Cr6+的清除率相近，在2.0 h時(shí)Cr6+的清除率達(dá)到最大，而炭化時(shí)間大于2.0 h后，清除率開(kāi)始下降，可能是由于炭化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，破壞了生物炭的結(jié)構(gòu)，因此采用炭化時(shí)間為2.0 h進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 炭化溫度對(duì)Cr6+清除率的影響

設(shè)定生物炭比例0.50∶0.50，炭化時(shí)間2.0 h，研究玉米秸稈和甘蔗渣在不同炭化溫度（350， 400，450， 500，550 ℃）下制備得到的生物炭對(duì)Cr6+的清除率，結(jié)果如圖2（b）所示，隨著炭化時(shí)間的增長(zhǎng)，生物炭對(duì)Cr6+的清除率先下降后上升，在500 ℃制備的生物炭達(dá)到最大，而炭化溫度大于500 ℃時(shí)，清除率開(kāi)始下降，可能是由于溫度太高破壞了生物炭的結(jié)構(gòu)，因此采用炭化溫度為500 ℃進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 生物炭配比對(duì)Cr6+清除率的影響

設(shè)定炭化時(shí)間2 h，炭化溫度500 ℃，研究玉米秸稈與甘蔗渣不同配比（0∶1.00，0.25∶0.75，0.50∶0.50，0.75∶0.25，1.00∶0）條件下的生物炭對(duì)Cr6+的清除率，結(jié)果如圖2（c）所示，當(dāng)玉米秸稈與甘蔗渣配比為0.50∶0.50時(shí)，生物炭對(duì)Cr6+的清除率最高，而配比大于0.50∶0.50時(shí)清除率開(kāi)始下降，因此生物炭配比為0.50∶0.50時(shí)混合生物炭對(duì)Cr6+的吸附性能最佳。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以炭化時(shí)間、炭化溫度、生物炭配比為影響因素，采用L9（34）進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析見(jiàn)表4。

經(jīng)過(guò)極差分析和方差分析發(fā)現(xiàn)，炭化時(shí)間（A）對(duì)Cr6+的吸附影響顯著，而炭化溫度（B）、生物炭配比（C）對(duì)Cr6+的吸附性能影響不顯著，各因素強(qiáng)弱順序?yàn)锳>B>C，最佳的吸附組合條件為A1B1C2，即炭化時(shí)間2.0 h，炭化溫度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50時(shí)混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率最高。

3 結(jié)論

以單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在不同炭化時(shí)間、炭化溫度與生物炭配比下研究混合生物炭對(duì)Cr6+的吸附性能。單因素試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1.0 h和1.5 h下的混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率相近，在2.0 h時(shí)對(duì)Cr6+的清除率達(dá)到最大，時(shí)間大于2.0 h時(shí)清除率開(kāi)始下降；隨著炭化時(shí)間的延長(zhǎng)，生物炭對(duì)Cr6+的清除率先下降后上升，在500 ℃制備的生物炭清除率最佳，炭化溫度高于500 ℃時(shí)，清除率開(kāi)始緩慢下降；生物炭對(duì)Cr6+的清除率在生物炭配比為0.50∶0.50時(shí)達(dá)到最高，配比大于0.50∶0.50時(shí)，清除率開(kāi)始下降。正交試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，炭化時(shí)間對(duì)Cr6+的吸附性能影響顯著，而炭化溫度、生物炭配比對(duì)Cr6+的吸附性能不顯著，各因素影響強(qiáng)弱順序?yàn)锳>B>C，生物炭的最佳制備條件為A1B1C2，即炭化時(shí)間1.5 h，炭化溫度450 ℃，生物炭配比0.50∶0.50為最佳制備條件，此條件下制備的混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率可達(dá)88.74%。

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