核桃殼炭的制備及其對氨氮廢水的吸附性能研究

靳 珂, 陸 倩, 馬來九, 李惠娟, 史正軍

(西南林業大學,西南地區林業生物質資源高效利用國家林業和草原局重點實驗室,云南 昆明 650224)

近年來,隨著經濟的發展和城市化進程的加快,污水的排放量不斷增加,氨氮作為廢水中常見的化學污染物,其極易造成水體富營養化,引發赤潮現象,致使大面積水域生態系統遭受嚴重破壞,因此氨氮的處理顯得尤為重要[1-2]。開發經濟、高效的氨氮處理技術,有效地控制高濃度氨氮廢水成為當前環保工作者研究的重要課題[3-4]。吸附降解污染物因其操作工藝簡單、效果好、無二次污染等優點而成為目前水污染處理中最實用的方法[5]。生物質活性炭作為一種吸附劑可用于吸附污染物并且其來源廣泛,對環境友好。云南省作為核桃種植面積、產量均居全國第一的大省,有豐富的農林廢棄物——核桃殼，對核桃殼的合理利用既能進行資源再利用,又能減少環境污染問題。核桃殼的固定碳和揮發分含量高,灰分少,適宜制備活性炭[6-7]。由于核桃殼炭特殊的孔隙結構,使得它在污水處理方面得到了廣泛的應用，可用于吸附去除廢水中的重金屬離子,如Cr6+、Cu2+、As3+等[8-11]。因此,本研究選取核桃殼為原料對其成炭條件進行分析,并考察了核桃殼炭對銨根離子的吸附性能，以期為核桃殼資源的高附加值利用及含氨氮廢水的有效處理提供參考。

1 實 驗

1.1 原料、試劑與儀器

核桃殼于2018年12月收集于西南林業大學旁邊的白龍菜市場。取適量的核桃殼先用自來水清洗,再用去離子水沖洗后,烘干,粉碎,過篩(取粒徑0.106～0.180 mm粉末),放入干燥箱中110 ℃干燥24 h。核桃殼的元素組成：C 47.50%,H 7.85%,O 44.00%,N 0.52%,S 0.13%,Ca 1 460 μg/g,Mg 348 μg/g,Fe 119 μg/g,Si 85.18 μg/g,P 5.41 μg/g。磷酸、氫氧化鈉、氯化銨、次氯酸鈉、水楊酸,均為市售分析純。

JB-1A磁力攪拌器；AL204電子天平；DHG-9240A電熱鼓風干燥箱；SX-5-12P箱式電阻爐,天津市泰斯特儀器有限公司；300W紫外線高壓汞燈鎮流器,上海亞明燈泡廠有限公司；WF·J·7200可見光分光光度計,尤尼柯上海儀器有限公司；BRUKER TENSOR 27傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)儀,上海精密科學儀器有限公司；OMNISORP 100CX 全自動吸附儀,美國Coulter公司；Vario EL cube元素分析儀,德國Elementar公司；X射線衍射儀，Bruker公司；S-3000N日立掃描電子顯微鏡。

1.2 核桃殼炭的制備

1.3 核桃殼炭對銨根離子的吸附

1.3.1標準曲線的繪制 配制5種已知質量濃度(2、 4、 6、 8和10 mg/L)的銨根離子溶液,采用水楊酸-次氯酸鈉分光光度法測定不同質量濃度下銨根離子在最大吸收波長697 nm處的吸光度值, 以質量濃度(x)為橫坐標,吸光度(y)為縱坐標繪制標準曲線,得到線性回歸方程：y=0.022 2x-0.001 01，R2=0.997 8。

qe=(C0-Ce)×V/m

(1)

R=(C0-C1)/C0×100%

(2)

式中:qe—平衡吸附量,mg/g;C0—銨根離子的初始質量濃度,mg/L;Ce—吸附平衡時銨根離子的質量濃度,mg/L;V—溶液體積,L;m—吸附劑的質量,g;R—銨根離子的去除率,%;C1—吸附后銨根離子的質量濃度,mg/L。

1.3.3吸附動力學 采用H3PO4預處理，700 ℃焙燒2 h制備的核桃殼炭0.2 g為吸附劑，研究其在不同時間(0～270 min)下對100 mL的銨根離子溶液(8 mg/L)的吸附情況。

1.4 分析與表征

1.4.1SEM分析 樣品經洗滌干燥研磨成粉末后,采用掃描電鏡觀察材料的形貌結構。

1.4.2比表面積和孔徑分析 樣品經洗滌干燥研磨成粉末后,在200 ℃條件下真空脫氣2 h 后,液氮 溫度為 77 K 下, 采用比表面積測定儀對樣品進行比表面積和孔徑分布情況分析。

1.4.3XRD分析 樣品經洗滌干燥研磨成粉末后, 采用X射線衍射儀分析材料中炭結構晶相。

1.4.4FT-IR分析 樣品經洗滌干燥研磨成粉末后,用紅外光譜儀測定材料表面官能團。

2 結果與討論

圖1 不同預處理的核桃殼炭對的吸附Fig.1 Adsorption of on walnut shell carbon treated by different methods

圖2 焙燒溫度對核桃殼炭吸附的影響Fig.2 Effect of roasting temperature on adsorption of on walnut shell carbon

圖3 核桃殼炭對不同質量濃度的吸附Fig.3 Adsorption of NH4+ with different concentration on walnut shell carbon

2.2 核桃殼炭吸附氨氮的動力學分析

為研究核桃殼炭吸附氨氮廢水的吸附動力學,分別采用準一級動力學模型(式(3))、準二級動力學模型(式(4))和Weber-Morris模型(式(5))進行動力學研究[13]。

ln(qe-qt)=lnqe-k1t

(3)

(4)

qt=kpt0.5+C

(5)

圖4 準一級動力學模型(a)、準二級動力學模型(b)和Weber-Morris動力學模型圖(c)Fig.4 Plots of pseudo-first-order (a), pseudo-second-order (b) and Weber-Morris (c) kinetic model

2.3 結構表征

2.3.1比表面積及孔徑分布 不同條件制備的核桃殼炭的氮氣吸附-脫附等溫線見圖5。由圖可知，所制備的核桃殼炭均呈現IV型等溫吸附/脫附曲線。未預處理的核桃殼焙燒700 ℃制備的核桃殼炭孔容較小。KOH預處理所制備的核桃殼炭在相對壓力0.5～1.0有明顯的因介孔的填充過程而產生的滯后環。在較低的相對壓力(P/P0=0.1)下,H3PO4預處理的核桃殼制備的核桃殼炭氮氣吸附量最大,這是因為H3PO4預處理的核桃殼在700 ℃下得到充分的炭化,炭化過程中產生較多小分子氣體揮發生成更多微孔。未預處理,H3PO4預處理和KOH預處理的核桃殼700 ℃焙燒2 h制備的核桃殼炭的孔徑分布圖見圖6。孔徑數據見表1。由結果可見，未處理的核桃殼制備的核桃殼炭比表面積、總孔容積、微孔容積均較小。采用KOH預處理后,比表面積、總孔容積、微孔容積均有一定程度提高。而采用H3PO4預處理的核桃殼制備的核桃殼炭,比表面積增至269.18 m2/g,其中微孔面積增至241.34 m2/g,微孔容積增至0.125 0 cm3/g,而平均孔徑有所降低。這說明用H3PO4處理過的核桃殼炭,平均孔徑變小,微孔容積變大,擁有了相對多而小的炭孔,比表面積相對增加,吸附能力得到了提高。而用KOH處理過的核桃殼,其內部的成分纖維素和半纖維素被破壞,導致成炭后孔隙結構遭到破壞,微孔數量減少[15],降低了其對氨氮廢水的吸附性能。

圖5 不同核桃殼炭的N2吸附/脫附等溫線 圖6 不同核桃殼炭的孔徑分布圖Fig.5 Nitrogen sorption isotherms of the walnut shell carbon pretreated by different methods Fig.6 Pore size distributions of the walnut shell carbon preatreated by different methods

表1 不同預處理制備的核桃殼炭比表面積和孔徑數據Table 1 BET specific surface and pore size distribution of the walnut shell carbon pretreated by different methods

2.3.3XRD分析 圖8是不同預處理后的核桃殼在700 ℃下焙燒2 h制成的核桃殼炭的XRD譜圖。由圖可見H3PO4處理的核桃殼炭在2θ為22.3°和43.8°附近的衍射峰分別對應于碳的(002)和(100)晶面,表明所制備的樣品為無定形碳結構。2θ為22.3°處衍射峰的出現說明碳材料中的部分石墨層片之間存在平行堆疊和相互連接。2θ為43.8°處的衍射峰則表明碳材料中的sp2雜化碳原子相互作用形成了石墨結構的六角晶格的晶面衍射峰[18],說明H3PO4處理的核桃殼炭形成了由脂肪鏈引起的六邊形結構炭的六角石墨晶格結構。而未處理的核桃殼制備的炭未形成六角晶格結構。KOH處理的核桃殼炭,2θ為22.3°處衍射峰偏移至24.2°,且脂肪鏈強度明顯降低,可能是KOH與脂肪發生了水解反應,導致脂肪鏈強度下降。其在2θ為43.8°處有明顯的衍射峰,歸屬為石墨結構的晶面衍射峰,說明此時核桃殼炭材料已經部分石墨化,歸屬為石墨炭[19]。分析可能是KOH處理核桃殼時,導致核桃殼中部分物質水解,如纖維素會水解成低分子的多糖和單糖,這些分子會促進形成拓撲結構的石墨微晶,從而導致石墨的衍射峰較大,酸處理也會導致纖維素水解,但水解程度小于KOH,而未處理的核桃殼炭在2θ為43.8°處未觀察到明顯的衍射峰,說明未處理的核桃殼僅通過在700 ℃焙燒2h得到的核桃殼炭,難以形成六角石墨晶格結構。

圖7 不同焙燒溫度的核桃殼炭的紅外光圖譜Fig.7 Infrared spectra of walnut shell carbon roasted at different temperature

圖8 不同預處理的核桃殼炭的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of different walnut shell carbon

2.3.4SEM分析 對核桃殼及核桃殼炭進行SEM分析，結果見圖9。

a.核桃殼walnut shell; b.核桃殼炭walnut shell carbon圖9 H3PO4處理的核桃殼及核桃殼炭的SEM圖譜Fig.9 SEM images of walnut shell and walnut shell carbon by H3PO4 treat

3 結 論

3.2可用準二級動力學模型描述核桃殼炭對氨氮的吸附過程,擬合方程為y=0.102 7x+4.414 1,相關系數R2為0.987 1。

3.3比表面積和孔徑分析結果表明：經H3PO4預處理后制備的核桃殼炭比表面積為269.18 m2/g，總孔容積為0.173 6 cm3/g，微孔容積為0.125 cm3/g，平均孔徑為5.46 nm。FT-IR、SEM和XRD分析表明：H3PO4預處理后制備的核桃殼炭為石墨碳晶相,表面呈現石墨片層結構,從而促進了銨根離子的吸附。