玉米秸稈和花生殼生物炭改性研究

朱益剛，劉桂龍，孔憲昌，王修好，裴瑩瑩，龐念剛，梁 英

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)理學(xué)院，黑龍江大慶 163319）

國內(nèi)許多地區(qū)的農(nóng)民將收割后的農(nóng)作物廢棄物（如玉米秸稈、花生殼等）聚堆燃燒，導(dǎo)致大氣污染，同時也造成能源浪費(fèi)，隨之而來的各種環(huán)境問題也日益尖銳。但農(nóng)作物的廢棄物通過高溫限氧熱化學(xué)轉(zhuǎn)化為廉價且有很好吸附作用的生物炭，不僅減少了因焚燒對環(huán)境造成的污染，同時還可得到一種價格低廉、吸附效果好的優(yōu)良吸附劑——生物炭。生物炭具有極其發(fā)達(dá)的間隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、多個表面化學(xué)特性和極大的表面活性[1-2]。此外，生物炭可作為催化劑，還可用于分層、精制、濃縮和褪色等。生物炭的改性是采用物理、化學(xué)的手段對生物炭進(jìn)行處理，改變生物炭物理結(jié)構(gòu)特性或吸附能力的目的[3-4]。目前，對生物炭改性研究主要以硝酸氧化改性為主[5]。試驗(yàn)通過改性可以改變生物炭的表面特性，從而促進(jìn)對色素的吸附，提高生物炭吸附率、降低成本、保護(hù)環(huán)境。

以玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭為原料，采用硝酸、氫氧化鈉、微波和超聲等方法對其進(jìn)行改性處理，以對色素的吸附效果為考查指標(biāo)，確定吸附色素較好的改性方法，從而為工業(yè)化生產(chǎn)提供可靠試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 原料、試劑及儀器

玉米秸稈和花生殼生物炭，農(nóng)村農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院實(shí)驗(yàn)室提供；玉米秸稈、花生殼均來自大慶周邊農(nóng)場。

氫氧化鈉、硝酸，沈陽化學(xué)制劑廠提供；純凈水，娃哈哈有限責(zé)任公司提供。

MM721AAU-PW型微波爐，廣東美的微波爐制造有限公司產(chǎn)品；ARC120型電子精密天平，奧豪斯公司產(chǎn)品；SK3300H型超聲波清洗器，上海科導(dǎo)超聲儀有限公司產(chǎn)品；HH.S11-12468型水浴鍋，上海博訊有限公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 4種改性處理

（1）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硝酸溶液→圓底燒瓶→水浴鍋加熱回流→過濾→蒸餾水洗滌至中性→烘干。

（2）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉溶液→圓底燒瓶→水浴鍋加熱回流→過濾→蒸餾水洗滌至中性→烘干。

（3）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→水→不同超聲時間→洗滌過濾→烘干。

（4）玉米秸稈和花生殼生物炭→研磨→水→不同微波時間→洗滌至中性→烘干。

1.2.2 電導(dǎo)率測定

分別稱取0.8 g未改性和改性后的玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭，將其與準(zhǔn)確量取的100 mL蒸餾水放入250 mL帶塞的錐形瓶，攪拌10 min，濾紙過濾，濾液即為待測液。用電導(dǎo)率儀在25℃下測定待測溶液的電導(dǎo)率。

1.2.3 色素吸附測定[6]

取0.5 g未改性和改性后的玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭，50 mL亞甲基藍(lán)稀釋溶液（10 mg/L），混合攪拌靜置2 h，離心機(jī)分離，用分光光度計測量波長670 nm處的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種改性處理對生物炭電導(dǎo)率的影響

玉米秸稈生物炭4種改性后電導(dǎo)率見表1，花生殼生物炭4種改性的改性電導(dǎo)率見表2。

表1 玉米秸稈生物炭4種改性后電導(dǎo)率/μs·cm-1

表2 花生殼生物炭4種改性的改性電導(dǎo)率/μs·cm-1

由表1和表2可看出，玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭經(jīng)氫氧化鈉和硝酸改性后的電導(dǎo)率變化明顯高于微波和超聲改性；隨氫氧化鈉和硝酸處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加玉米秸稈生物炭和花生殼生物炭的電導(dǎo)率增加，處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時電導(dǎo)率均達(dá)最大，分別為2.31 μs/cm和2.24 μs/cm；隨后，隨著處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大電導(dǎo)率略有減小，但變化不顯著。

2.2 4種改性處理對生物炭吸附性能的影響

化學(xué)改性對色素吸附見圖1，超聲改性對色素吸附見圖2，微波改性對色素吸附見圖3。

由圖1可知，玉米秸稈和花生殼生物炭用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氫氧化鈉、硝酸改性后對亞甲基藍(lán)的吸附能力增強(qiáng)。玉米秸稈和花生殼生物炭隨著硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氫氧化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加亞甲基藍(lán)吸光度先減小后趨于平穩(wěn)，經(jīng)氫氧化鈉和硝酸處理的花生殼生物炭對亞甲基藍(lán)的吸附均好于玉米秸稈，且經(jīng)硝酸改性的生物炭除去色素效果好于氫氧化鈉處理組。

由圖2可知，玉米秸稈和花生殼生物炭對亞甲基藍(lán)的吸附隨著超聲時間增加，吸附性能增強(qiáng)，120 min后趨于平穩(wěn)，但總體吸附性能的改善不顯著。

由圖3可知，玉米秸稈和花生殼改性生物炭對亞甲基藍(lán)的吸附隨著微波處理時間增加，吸光度減小，但減小不顯著。

圖1 化學(xué)改性對色素吸附

圖2 超聲改性對色素吸附

圖3 微波改性對色素吸附

3 結(jié)論

（1）玉米秸稈和花生殼生物炭經(jīng)硝酸和氫氧化鈉改性后電導(dǎo)率增大顯著；微波和超聲改性對生物炭電導(dǎo)率影響很小。

（2）玉米秸稈和花生殼生物炭硝酸改性后吸附能力增強(qiáng)；氫氧化鈉改性后吸附能力較強(qiáng)；微波和超聲改性對生物炭吸附性能影響不顯著。硝酸改性對玉米秸稈和花生殼生物炭的影響最大，增加吸附能力強(qiáng)，HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%的時候?qū)喖谆{(lán)能力吸附最強(qiáng)。

綜上所述，玉米秸稈和花生殼生物炭改性提高了對亞甲基藍(lán)吸附，最佳改性方法和條件是硝酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%。