稻殼、花生殼、大豆中生物炭去除水體中重金屬離子的效果比較研究

[摘 要] 通過研究總結不同生物質原料在一定熱解溫度下熱解得到的生物炭對水體中各重金屬離子的吸附效果，以歸納生物炭去除水體重金屬的去除機制。結果表明，不同生物質來源的生物炭基本上能很好地吸附水體中的各重金屬離子，顯著的降低了水體中各重金屬離子的濃度，歸因于水溶液的初始pH值和各生物炭的理化性質，如灰分含量、pH值及比表面積和孔隙結構等，從而使水體中重金屬離子濃度顯著降低。

[關鍵詞] 生物炭 重金屬離子 吸附

[中圖分類號] S131 [文獻標識碼] B [文章編號] 1003-1650（2016）09-0145-01

引言

近年來，我國水系受到嚴重地污染，其中，河流水體中重金屬污染受到了人們的廣泛關注，歸因于重金屬的毒性特點以及在環境、動植物乃至人體中的累積效應[1]，我國是農業大國，每年產生的農業廢棄物數量巨大，如果對其不進行妥善處理，會嚴重地造成環境污染，如秸稈焚燒所帶來的大氣污染，以及資源浪費。而且，我國的其他生物質資源也相當豐富，眾多吸附材料，熱解生物炭具有來源廣泛，成本低，吸附效果顯著而被大家廣泛的使用[2，3]。本文通過研究總結不同生物質原料在一定的溫度下解熱得到的生物炭對水體中各重金屬離子的吸附效果，以為未來的環境水體污染研究提供一些理論參考。

1 生物炭去除水體重金屬離子效果的比較分析

1.1 來源于稻殼生物質的生物炭

通過對來源于希臘北部的稻谷工廠搜集來的稻殼生物質在300℃下進行熱解得到稻殼生物炭。稻殼生物質水分、灰分、揮發分和固定碳所占的百分比分別為10.1%、17.4%、81.6%和1.0%，稻殼生物炭的比表面積為155.51m2g-1。通過將稻殼生物炭加入水體中對各重金屬離子進行吸附，各重金屬離子的濃度顯著降低，從而降低了污染水體中重金屬的生態風險。與對照中重金屬As的濃度（90μg/L）相比，向水溶液中加入稻殼生物炭后，重金屬As的濃度顯著的下降了25%。與重金屬As濃度下降的幅度相比，向水溶液中加入稻殼生物炭后，重金屬Cr（Ⅵ）的濃度較原溶液中Cr（Ⅵ）的濃度（190μg/L）小幅下降了18%。此外，當向水溶液中加入稻殼生物炭后，重金屬Cr（Ⅲ）的濃度較初始溶液中Cr（Ⅲ）的濃度185μg/L顯著下降了42%。以上表明，雖然稻殼生物炭的比表面積（155.51m2/g）很大，但相比于其他吸附劑，稻殼生物炭對重金屬離子Cr和As的去除率并不是很高（<50%），因此，暗示著水體中重金屬鈍化的主要機制可能為生物炭和金屬陽離子的靜電作用以及金屬沉淀。

1.2 來源于花生殼生物質的生物炭

通過對來源于河北豐南市農場的花生殼生物質在450℃下進行熱解得到花生殼生物炭。花生殼生物炭的比表面積很小，只有2.57m2g-1，其顆粒粒徑大小分為兩個范圍：0.50-1.00mm和0.15-0.50mm。通過將花生殼生物炭加入水溶液中吸附重金屬Cr（Ⅵ）時，粒徑小的花生殼明顯比粒徑大的花生殼吸附效率和去除能力更高，這是因為較小粒徑的生物炭比表面積更大，因此對重金屬離子的吸附量更多。花生殼生物炭對重金屬Cr（Ⅵ）最大的吸附量為77.54mgg-1，同時，初始水溶液的pH值對重金屬的吸附效果起著很大的作用。

1.3 來源于大豆生物質的生物炭

通過對來源于南京的大豆生物質在400℃下進行熱解得到大豆生物質炭。它的CEC（cmol/kg）、堿度（mmol/g）、揮發分（wt.%）和總含氧官能團（mmol/g）的值分別為229.5、3.89、37.50和1.13[6]。當用大豆生物炭對Cr（Ⅲ）進行吸附時，隨著初始水溶液的pH值從2.0上升到5.0，大豆生物炭對Cr（Ⅲ）的吸附量（mol/kg）從0.17上升到了0.35，然而當初始水溶液的pH值大于5.0時，大豆生物炭對Cr（Ⅲ）的吸附量基本保持不變，暗示著水體中重金屬的去除不僅和吸附劑的性能有關，同時也很大程度上受水溶液的pH值影響。

2 生物炭去除水體中重金屬離子的原因分析

2.1 生物炭理化性質的影響分析

不同生物質原料制得的生物炭，其理化性質各不相同，因而導致不同生物質炭對水體中重金屬離子的吸附效果以及吸附機制各不相同。總結可得，生物炭的比表面積大小、孔隙結構發達程度、顆粒粒徑大小、所含含氧官能團的數量以及所含無機礦物質組分的數量，直接影響著生物炭對水體中重金屬離子的吸附行為。具體表現為，生物炭孔隙結構越發達，其顆粒粒徑越小使得生物炭比表面積越大，從而使生物炭為吸附水體中重金屬離子提供了更多的吸附點位。同時，生物炭含氧官能團越多，生物炭通過絡合金屬陽離子從而降低水體中重金屬離子的含量就越大。此外，生物炭中所含無機礦物質組分，其能與金屬離子進行沉淀從而降低了水體中重金屬離子的濃度，以降低了重金屬在水體中的生態風險。

2.2 水溶液的初始pH值的影響分析

水溶液的初始pH值會直接影響生物炭和重金屬離子之間的各種物理化學反應。當水溶液的初始pH值在較低的范圍時，隨著初始pH值的升高，生物炭對水溶液中重金屬離子的吸附量逐漸增加；當水溶液的初始pH值高于一定數值時，隨著初始pH值得升高，生物炭對水溶液中重金屬離子的吸附量基本保持不變。

3 結論

本文通過研究總結了不同生物炭對水體中重金屬離子的吸附效果，得出生物炭對水體中重金屬離子的吸附行為不僅和生物炭自身的理化性質有關，同時也和水溶液初始pH值相關。

參考文獻

[1]Zhang，X.，Zhong，T.，Liu，L.，2015.ImpactofsoilheavymetalpollutiononfoodsafetyinChina.PloSOne10（8），EQ135182.

[2]Shen，Y.S.，Wang，S.L.，Tzou，Y.M.，Kuan，W.H.，2012.RemovalofhexvalentCrbycoconutcoirandderivedchars-theeffectofsurfacefunctionality.BioresourceTechnol.104，165-172.

[3]Yao，Y.，Gao，B.，et.，2012.Adsorptionofsulfamethoxazoleonbiocharanditsimpactonreclaimedwaterirrigation.J.Hazard.Master.209，408-413.

作者簡介：金俊偉（1991-），男，漢族，河南省新鄉人，浙江農林大學環境與資源學院，在讀農業碩士，農業資源利用專業。

黃曉慧（1990-），女，漢族，河南省周口人，浙江農