改性生物炭對考馬斯亮藍的吸附研究

陳修棟，曹小華，汪亞威，占昌朝

（九江學院化學與環(huán)境工程學院，江西九江 332005）

當今，清潔水資源短缺已經成為人類社會發(fā)展的焦點問題。清潔水資源短缺主要是由于可用水資源本身較少，且產生了大量的工業(yè)廢水，尤其是印染廢水［1-3］。染料廢水屬于目前幾種難治理的廢水之一，有機染料含量高、組成復雜、色度深、毒性大［4-6］。據調查，在世界范圍內，每年大約有10%甚至超過10%的染料未經處理直接排放到江河湖泊中，造成嚴重的污染［7］。化學降解、生物降解、物理吸附是工業(yè)上處理印染廢水的常用方法。

本課題選用的改性生物炭是一種具有較大比表面積和良好孔結構的材料，具有作為吸附和催化材料的良好條件，因此，改性生物炭用作吸附劑具有廣闊的應用前景和重要的經濟意義［8-11］。

本課題以廢棄小麥桔桿為原料制備了生物炭，采用KOH 進行改性，并將其用于印染廢水中考馬斯亮藍（CBG）的吸附研究，為開發(fā)利用小麥桔桿這種廉價的生物質材料、提高其附加值提供了可靠的技術基礎。

1 實驗

1.1 儀器與試劑

儀器：UV-2550 型紫外分光光度計（日本島津分析儀器公司），JB-3 型恒溫磁力攪拌器（上海電磁新經儀器公司），恒溫水浴鍋，電熱恒溫鼓風干燥箱，DL-SM 型離心機（長沙湘儀離心機儀器有限公司），CVD（D）-05/30/1 型低溫管式爐（合肥日新高溫技術有限公司），ASAP2020M+C 型全自動微孔分析儀（美國麥克儀器公司），HB-4 便攜式pH 計（上海三信儀表廠）。實驗試劑均為分析純，實驗用水均為去離子水。

1.2 生物炭的制備

1.3 生物炭的改性

將生物炭（C）和KOH 按質量比4∶1 混合均勻，研磨，移至管式爐鐵管中進行燒制；通入200 mL/min 的N2作為保護氣體，以2 ℃/min 從室溫升至850 ℃，保溫1.0 h，冷卻至室溫［12-14］。取出生成物，用0.2 mol/L 稀鹽酸和去離子水反復洗至中性，80 ℃干燥12 h，得到改性生物炭（K-C），貯存于塑料瓶中，封口備用。

1.4 吸附實驗

在100 mL CBG模擬染料廢水中加入適量K-C，在不同pH條件下進行靜態(tài)吸附實驗，并在8 000 r/min下離心10 min，取上清液，用紫外分光光度計在波長584 nm下測吸光度，根據郎伯-比爾定律計算水中CBG的去除率：

其中，A0為吸附前的吸光度，A為吸附后的吸光度。

1.5 比表面積測定

稱量樣品和測試管的質量，脫氣處理30 min后，再稱量得到樣品的實際質量，最后計算比表面積。

2 結果與討論

2.1 結構表征

2.1.1 X 射線粉末衍射（XRD）

從圖1 可以看出，小麥桔桿炭化后得到一類無定形的碳材料；通過KOH 活化生成的K-C 結構沒有發(fā)生太大的改變，還是維持無定形狀。

圖1 生物炭與改性生物炭的XRD 圖

2.1.2 拉曼光譜

由圖2 中可以看出明顯的D 峰（1 380 cm-1，C 原子晶格的缺陷）和G 峰（1 590 cm-1，C 原子sp2雜化的面內伸縮振動）。活化前后ID/IG（D 峰和G 峰的強度比）值分別為1.25、1.68，說明改性后的生物炭缺陷程度明顯增大［15-16］。

在整個醫(yī)學檢驗質量控制工作中，醫(yī)學檢驗人員發(fā)揮著至關重要的作用，其是實現醫(yī)學檢驗高質量、高效率的基礎。但是就目前來看，很多醫(yī)療機構內的檢驗人員在進行醫(yī)學檢驗的時候，很容易會出現疏忽大意的情況，沒有對醫(yī)學檢驗質量進行嚴格的控制，從而導致醫(yī)學檢驗質量大幅下降，使檢驗結果的準確性得不到有效的保障。

圖2 生物炭與改性生物炭的拉曼光譜圖

2.1.3 比表面積

從圖3 可知，生物炭具有較大的比表面積（630.5 m2/g），KOH活化后的生物炭比表面積可達690.5 m2/g。比表面積的增大主要是由于KOH 在高溫條件下促使碳形成各向同性和非石墨化無定形碳，而且殘留于生物炭中的含鉀化合物對改性過程有促進作用，能形成大孔結構。

圖3 生物炭與改性生物炭的比表面積

2.2 生物炭吸附CBG 的影響因素

2.2.1 生物炭用量

在實驗溫度（25 ℃）恒定、CBG 初始質量濃度40 mg/L、溶液初始pH=6的條件下，考察C與K-C對CBG去除率的影響，結果如圖4所示。從圖4可知，KOH活化后的小麥桔桿碳對CBG的去除率比沒有活化前明顯提高；且20 min內就可以達到75%左右，20 min后去除率變化變小，25 min時吸附基本達到平衡，可能歸因于吸附平衡熱力學的限制。K-C和C用量為2 g/L時，CBG去除率分別高達93.9%、50.8%，K-C 的去除率比C 大，可能歸因于大的比表面積和缺陷程度。所以，K-C和C用量選擇2 g/L。

圖4 生物炭用量對CBG 去除率的影響

2.2.2 CBG 初始質量濃度

在常溫、K-C 和C 用量2 g/L、pH=6 的條件下，研究CBG 初始質量濃度對CBG 去除率的影響，結果如圖5 所示。從圖5 可知，CBG 去除率與初始質量濃度呈反比，初始質量濃度增大，去除率減小；CBG 初始質量濃度為20 mg/L 時，兩種吸附劑的去除率分別達到98.8%、63.5%，增幅都較大；在CBG 初始質量濃度為40、80 mg/L 時，CBG 去除率增幅變小。主要是因為溶液中吸附劑的數量和吸附位點一定，隨著CBG 初始質量濃度的增大，達到吸附飽和后，去除率會呈現下降趨勢。因此，需根據CBG 的初始質量濃度來調整K-C 用量，以便選擇最佳的實驗方案。

圖5 CBG 初始質量濃度對CBG 去除率的影響

2.2.3 溶液pH

在常溫、K-C 和C 用量2 g/L、CBG 初始質量濃度40 mg/L 條件下，改變染料溶液的初始pH，去除率結果如圖6 所示。從圖6 可知，溶液pH 對CBG 去除率的影響很大;當pH=6 時，K-C 和C 對CBG 的去除率最高，分別可達93.7%、50.7%；在pH=7 的條件下，去除率明顯降低。主要原因可能是隨著pH 的減小，溶液中氫離子濃度增加，K-C 和C 表面質子化，正電荷增多，可與CBG 分子中富含孤對電子的N、O 形成氫鍵，CBG 能被迅速吸附，因而去除率增大。

圖6 溶液pH 對CBG 去除率的影響

2.2.4 再生性實驗

把吸附實驗后的溶液進行反復離心和超聲處理，烘干得到實驗后的K-C。在pH=6、K-C用量2 g/L、CBG初始質量濃度40 mg/L的條件下進行靜態(tài)吸附實驗，在30 min 內反復再進行相應的吸附實驗，結果如圖7 所示。由圖7可以看出，K-C重復使用8次后，CBG去除率還能夠達到80.9%。

圖7 K-C 吸附次數對CBG 去除率的影響

3 結論

采用KOH活化的方法制備改性生物炭（K-C），制備方法簡單而且高效。在高溫條件下，改性生物炭比表面積和缺陷程度增大，可以加快結合效率，提高CBG廢水的去除率。在常溫（25 ℃）、pH=6、K-C用量2 g/L、CBG初始質量濃度40 mg/L的條件下進行靜態(tài)吸附實驗，在30 min內，CBG去除率達到93.7%。與未改性的生物炭相比，K-C 對CBG 的去除率明顯提高，具有廣泛的應用前景。