熔盐法制生物炭用于吸附酸性工业废水中的Pb-(2+)_王琼瑜.pdf

第12期王琼瑜，杨颍科，庄皓程，等.熔盐法制生物炭用于吸附酸性工业废水中的Pb2+J.环境科学与技术，2022，45（12）：61-69.Wang Qiongyu，YangYingke，Zhuang Haocheng，et al.Biochar prepared by molten salt method and its application to adsorption of Pb2+in acidic industrial wastewaterJ.Environmental Science&Technology，2022，45（12）：61-69.Environmental Science&Technology第45卷 第12期2022年12月Vol.45 No.12Dec.2022环境科学与技术 编辑部：（网址）http:/（电话）027-87643502（电子信箱）收稿日期：2022-06-30；修回2022-09-27基金项目：国家重点研发计划（2021YFA1501801）；浙江省自然科学基金（LY19B070005）；校企重大研发项目（KYY-HX-20200704）作者简介：王琼瑜（1999-），女，硕士研究生，研究方向纳微米功能材料制备，（电子信箱）；*通讯作者，副教授，研究方向为功能材料纳微结构设计和环境化工应用，（电子信箱）。熔盐法制生物炭用于吸附酸性工业废水中的Pb2+王琼瑜1，杨颍科1，庄皓程2，赵栋洋3，何凯1，周吉峙4，胡钟霆1，3*（1.浙江工业大学环境学院，浙江杭州310014；2.天津大学化工学院，天津300350；3.浙江工业大学工业催化所，浙江杭州310014；4.南京工业大学环境科学与工程学院，江苏南京211816）摘要：作者设计了一种含有表面衍生官能团的生物质材料，用于吸附印染、脱硫等废水中的可溶性铅污染。在500 热解下，采用熔盐法制备生物炭材料，其产率接近40%，具备介孔/大孔杂化特性，比表面积接近300 m2/g。通过高锰酸钾改性，发现其对Pb2+的最大吸附量可以达到商业活性炭的8倍。研究初始pH、吸附时间、污染物浓度等因素对生物炭吸附Pb2+的影响，发现生物炭对Pb2+的吸附倾向遵循准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型。结合生物炭吸附剂使用前后的材料表征，阐述了包括静电作用、-作用、离子交换和络合作用在内的吸附机制。研究结果还表明生物炭BC-B在酸性条件下可以快速有效地吸附Pb2+，在生物炭投加量=0.5 g/L、Pb2+=400 mg/L、pH=7的条件下对Pb2+的最大吸附量达到440.0 mg/g。同时循环再生实验和工业废水应用实验证明，该生物炭在治理含重金属的酸性工业废水中具有潜力。关键词：生物炭；铅污染；吸附；表面官能团；化工废水中图分类号：X703文献标志码：Adoi：10.19672/ki.1003-6504.1537.22.338文章编号：1003-6504(2022)12-0061-09Biochar Prepared by Molten Salt Method and Its Application to Adsorptionof Pb2+in Acidic Industrial WastewaterWANG Qiongyu1，YANG Yingke1，ZHUANG Haocheng2，ZHAO Dongyang3，HE Kai1，ZHOU Jizhi4，HU Zhongting1，3*（1.College of Environment,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;2.School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin 300350,China;3.Industrial Catalysis Institute,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China;4.School of Environmental Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China）Abstract：Laboratory experimental studies were carried out for the purpose of developing a kind of biomass material containing surface-derived functional groups,which was used to adsorb soluble lead pollutants in wastewater such as printing,dyeingand desulfurization industrial effluents.In this way,biochar as a sort of biomass material was prepared at the laboratory bymolten salt method at 500oC,the production rate being about 40%,and biochar thus prepared had hybrid mesoporous/microporous structure with the surface area of ca 300 m2/g.Then the biochar was modified in potassium permanganate solution,whichshowed an excellent capacity of Pb2+adsorption,with eight times stronger than that of common commercially available activated carbon.In addition,the effects of initial pH,adsorption time and pollutant concentration of the wastewater on the adsorption of Pb2+ontobiochar were investigated.The experiment proved that the behavior adsorption of Pb2+onto biochar matchedwell with the pseudo-second-order kinetic model and the Langmuir isotherm adsorption model,and following the characterization of biochar before and after the Pb2+adsorption,the paper elucidated the adsorption mechanism regarding the electrostatic interaction,-interaction,ion exchange and complexation functions,and reported that biochar BC-B had the quickand effective adsorption capacity and could maximized the adsorption amount up to 440.0 mg/g under an optimal condition:第45卷biochar dosage of 0.5 g/L,Pb2+=400 mg/L and pH=7.Simultaneously,the reuse experiments and practical application experiments demonstrated that the biomass-derived biochar was of potentiality in the industrial wastewater treatment for removingheavy metal.Key words：biochar;lead pollution;adsorption;surface functional group;industrial wastewater铅是一种有具有生物富集性和生物转化性的毒金属，铅及其化合物进入环境后会随食物链富集并影响人类健康，对机体呈现系统性的毒害作用1，2。含铅废水会随着涉铅工业的发展的进入环境中，对环境和人类健康产生影响。相比用传统化学法、膜分离法、生物法去除重金属污染物，吸附法操作简单、成本低、反应后易分离等优点3-5。目前针对重金属污染的吸附方法已经开发出多种有效的吸附剂，如金属氧化物、碳纳米复合材料、合成树脂、壳聚糖等，但存在吸附剂易被污染、效率有待提升、金属离子选择性窄等问题4-6。生物炭是通过生物质在缺氧条件下经热解碳化后合成的一种稳定的富碳固体物质，具有良好的理化性质、稳定性和再生性，是一种优良的吸附材料7-9。利用废弃物制备生物炭是资源化的一种有效手段，并且减少了焚烧引起的碳排放10，11。水果皮是主要的厨余垃圾之一，水果皮富含糖、蛋白质、维生素及多种有机质，这使得水果皮热解制备的生物炭富含多种官能团11。研究表明官能团在生物炭污染物中有重要作用，黄菲等12研究发现菌糠生物炭中的含氧官能团和共轭芳香结构能为Cu()和Cd()提供丰富的的吸附点位，是一种能快速吸附水中 Cu()和 Cd()的廉价吸附剂，张悍等13研究发现用米糠和麦麸制备的生物炭含有羟基、酯、醚和芳香官能团，对水中四环素有良好的吸附作用，饶潇潇等14研究表明花生壳生物炭的热解温度越高芳香程度越高，对 DEP 的吸附能力也越高。基于上述研究认为用果皮废弃物制备的生物炭对水中的铅污染可能可以起到有效的去除作用。本研究以香蕉、苹果、西瓜皮废弃物为原料，采用熔盐法制备得到废弃生物质衍生的生物炭材料，借助全自动比表面积及孔隙度分析仪（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等对样品开展孔结构、表面性质等表征分析，并开展生物炭材料对Pb2+的批量吸附实验，探究溶液初始pH、吸附时间和溶液平衡浓度等对吸附能力的影响，进一步结合模型拟合，综合阐述可能的吸附机理。通过开展生物炭的重复利用性和其在实际废水中吸附Pb2+的性能评估，验证其在治理含重金属工业废水中的可行性。1实验材料和方法1.1材料盐酸（HCl，36%38%）、氢氧化钠（NaOH，分析纯）、硝酸（HNO3，65%）从阿拉丁试剂有限公司采购；硝酸铅（Pb(NO3)2，99%）、氯化锂（LiCl，98%）、氯化锌（ZnCl2，98%）从国药控股化学试剂有限公司购买；高锰酸钾（KMnO4，99.5%）从上海凌峰化学试剂有限公司购置。实验用水均为超纯水。1.2生物炭的制备及表征分别以香蕉、苹果和西瓜皮为原料，用超纯水洗净后切成小块，在105 下烘干至恒重，研磨成粉状，过100目筛，在超纯水中浸泡数小时后过滤、烘干备用。采用熔盐法制备生物炭：过筛后的粉末与LiCl-ZnCl2共晶盐（共晶盐重量比为1 1）按质量1 2充分混合，80 下烘干备用。接着将其置于管式炉中，在氮气气氛下，500 热解2 h，自然冷却至室温后取出研磨。粉末过60目筛，用0.1 mol/L HCl酸洗去除杂质离子，再用超纯水洗涤至近中性。用KMnO4对生物炭进行氧化改性：将生物炭按1 100的固液比浸泡于0.2 mol/LKMnO4溶液，磁力搅拌24 h。用超纯水和丙酮洗去材料表面的无机盐和有机物（焦油等），80 烘干后装于样品瓶中备用。3 种生物炭分别用西瓜皮生