不同熱解溫度萬(wàn)壽菊秸稈制備生物炭對(duì)Cd的吸附特性研究

劉群星 宋琳 何彪

摘 要：以萬(wàn)壽菊秸稈為試驗(yàn)材料，在不同熱解溫度下制備生物炭，通過(guò)測(cè)定不同吸附時(shí)間、不同pH值、Cd濃度下4種生物炭（T300、T500、T700、T900）的吸附量，研究不同熱解溫度生物炭對(duì)Cd的吸附特性。結(jié)果表明，在相同的吸附時(shí)間內(nèi)，吸附效果從小到大依次為T(mén)300

關(guān)鍵詞：生物炭;熱解溫度;鎘;吸附

中圖分類(lèi)號(hào) TQ424.19 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2020）19-0138-02

Adsorption Characteristics of Cd on Biochar Derived from Straw of Tagetes erecta at Different Pyrolysis Temperatures

LIU Qunxing1 et al.

（1Yunnan Ecological Environment Engineering Assessment Center，Kunming 650228，China）

Abstract：The article researched on the adsorption characteristics of cadmium on biochar at different pyrolysis temperatures（300-900℃）.Biochar was derived from Tagetes erecta at different temperatures.The adsorption performance of biochar was studied by measuring the adsorption capacities of the four biochar（T300、T500、T700、T900）under different adsorption time，pH and cadmium concentration.The results showed that the order of adsorption effect was T300

Key words：Biochar;Pyrolysis temperature;Cd;Adsorption

生物炭是指在缺氧環(huán)境下，熱化學(xué)轉(zhuǎn)化生物質(zhì)得到的固體材料，因其來(lái)源廣泛、成本低、可再生等特性而備受關(guān)注。生物炭具有較大的比表面積，良好的孔隙結(jié)構(gòu)，豐富的表面基團(tuán)，使其對(duì)重金屬污染物具有較強(qiáng)的吸附作用，被認(rèn)為是一種可廣泛應(yīng)用于土壤重金屬污染修復(fù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新型環(huán)保材料[1-3]。鎘（Cd）是植物非必需元素，具有移動(dòng)性強(qiáng)、中毒臨界濃度低、累積效應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)，是環(huán)境中最危害的重金屬之一。據(jù)《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國(guó)土壤污染情況十分嚴(yán)重，全國(guó)土壤的總超標(biāo)率為16.1%，其中Cd超標(biāo)率為7.0%[4]。2016年國(guó)務(wù)院頒布的《土壤污染防治計(jì)劃》指出，在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的5大土壤重金屬中，排在第1位是Cd。可見(jiàn)，當(dāng)前我國(guó)土壤Cd污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

植物修復(fù)尤其是替代種植是修復(fù)土壤重金屬污染耕地的重要方法之一[5]。萬(wàn)壽菊具有凈化空氣、美化環(huán)境等作用，其提取的葉黃素已被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、飼料等領(lǐng)域，可作為重金屬污染耕地替代種植作物。但由于萬(wàn)壽菊秸稈重金屬含量較高，對(duì)其的處理利用是目前關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題之一[6]。為此，本研究以萬(wàn)壽菊秸稈作為制備生物炭的原料，研究pH、吸附時(shí)間、Cd濃度對(duì)不同熱解溫度制備下生物炭對(duì)Cd吸附特性的影響，探討利用重金屬污染區(qū)種植的萬(wàn)壽菊秸稈制備生物炭修復(fù)重金屬污染農(nóng)田的可行性，以期為實(shí)現(xiàn)替代種植農(nóng)業(yè)廢棄物“三化”處理及生物炭在改良修復(fù)污染土壤中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料制備 采集某鉛鋅礦區(qū)周邊污染耕地修復(fù)的萬(wàn)壽菊秸稈，烘干、冷卻至室溫后進(jìn)行研磨。將研磨好的萬(wàn)壽菊秸稈裝入已清洗的坩堝，然后后置于300、500、700、900℃的馬弗爐中炭化8h，冷卻至室溫后裝于密封袋備用，分別標(biāo)記為T(mén)300、T500、T700、T900。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 吸附時(shí)間 首先配制Cd溶液，濃度為40mg·L-1，該溶液中含有0.01mol·L-1NaNO3作為背景電解質(zhì)，然后將溶液pH調(diào)節(jié)為6.0±0.05。在100mL的錐形瓶中加入0.1g由不同溫度條件下制備得到的生物炭，再加入40mL配制好的Cd溶液，將其放入搖床中在不同時(shí)間（2h、5h、10h、20h、60h）進(jìn)行震蕩，震蕩完成后取上清液離心、過(guò)濾。利用火焰原子吸收分光光度法測(cè)量溶液中Cd的濃度，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其吸附量。

1.2.2 pH值 首先配制0.1mol·L-1HNO3或NaOH溶液，用于調(diào)節(jié)pH。然后配制70mg·L-1不同pH值（2.0、3.0、4.0、5.0、6.0）的Cd溶液，該溶液中含有0.01mol·L-1NaNO3作為背景電解質(zhì)的Cd溶液。在100mL的錐形瓶中加入0.1g由不同溫度條件下制得到的生物炭，分別加入40mL不同pH值的Cd溶液，振蕩48h，震蕩完成后取上清液離心、過(guò)濾。利用火焰原子吸收分光光度法測(cè)量溶液中Cd的濃度，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其吸附量。

1.2.3 Cd濃度 配制含有0.01mol·L-1NaNO3作為背景電解質(zhì)的不同濃度（5、10、20、50、100mg·L-1）的Cd溶液，然后將溶液pH值調(diào)節(jié)至6.0±0.05。在100mL的錐形瓶中加入0.1g由不同溫度條件下制備得到的生物炭，分別加入40mL不同濃度的Cd溶液，振蕩48h，震蕩完成后取上清液離心、過(guò)濾。利用火焰原子吸收分光光度法測(cè)量溶液中Cd的濃度，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算其吸附量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同吸附時(shí)間對(duì)生物炭吸附Cd的影響 從圖1可以看出，當(dāng)Cd濃度為40mg·L-1時(shí)，T300對(duì)Cd的吸附能力開(kāi)始較慢，10h之后迅速增加，而其余3種生物炭對(duì)Cd的吸附能力在初始階段比較快，10h后吸附速率逐漸變緩直至吸附平衡。其中，T700、T900這2種生物炭隨吸附時(shí)間的增加，吸附量的變化情況基本一致。

2.2 不同pH值對(duì)生物炭吸附的影響 從圖2可以看出，pH值的變化對(duì)T500、T700的影響較大，對(duì)T300、T900的影響較小。在pH值增加的過(guò)程中，4種生物炭對(duì)Cd的吸附能力也隨之變大;T300吸附量在pH值增加到5時(shí)達(dá)到最大值，其余3種生物炭在pH值增加到6時(shí)達(dá)到最大值。

2.3 不同Cd濃度對(duì)生物炭吸附的影響 從圖3可以看出，隨著Cd濃度的不斷升高，T500、T700的吸附量也不斷升高，當(dāng)溶液Cd濃度為50mg/L時(shí)，兩者吸附量達(dá)到最大值，其中T700（14.984mg/g）>T500（14.512mg/g）。

3 結(jié)論

（1）隨著吸附時(shí)間的增加，生物炭對(duì)Cd的吸附能力增加，在一定的吸附時(shí)間內(nèi)，高溫所制得的生物炭對(duì)Cd的吸附效果最好。

（2）在一定pH值范圍內(nèi)（2～6），pH值越高，吸附能力越好，且高溫生物炭受pH值變化的影響相對(duì)較小。

（3）生物炭對(duì)Cd的吸附量隨溶液Cd濃度的增加而增加。本試驗(yàn)中，當(dāng)Cd溶液濃度為50mg/g時(shí)，T500、T700這2種生物炭對(duì)Cd的吸附達(dá)到飽和。

參考文獻(xiàn)

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[6]劉翰升，趙春莉，劉玥，等.鎘脅迫對(duì)萬(wàn)壽菊屬植物幼苗生理及富集的影響[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，34（10）：1221-1227.

（責(zé)編：張宏民）