左卫元　仝海娟　史兵方　黄成大　余朋朋

(百色学院化学与环境工程学院，广西高校桂西生态环境分析和污染控制重点实验室　广西百色 533000)



麻疯树籽壳生物质炭的制备及对六价铬离子的吸附研究*

左卫元仝海娟史兵方黄成大余朋朋

(百色学院化学与环境工程学院，广西高校桂西生态环境分析和污染控制重点实验室广西百色 533000)

以麻疯树籽壳为原料经磷酸活化后炭化处理制备了生物质炭吸附剂。以六价铬离子为目标对象，考察了磷酸浓度、活化时间、炭化温度、炭化时间等制备条件对生物质炭吸附六价铬离子的能力，并探讨了生物质炭的投加量、溶液pH值等工艺条件对六价铬离子吸附能力的影响。结果表明：在磷酸浓度为2 mol/L，活化18 h，600 ℃下炭化1.5 h时所制得的生物质炭在投加量为5 g/L、溶液pH值为3时对铬离子的吸附效果最佳，铬离子去除率为74.5%。

麻疯树籽壳生物质炭铬离子吸附

0　引言

生物质炭是以木柴、动物粪便、作物残余物等富碳物在高温下产生的生物质材料[1]。与普通活性炭相比，其来源更为广泛，更经济环保，且对重金属离子、有机污染物具有优良的吸附性能[2]。已有研究发现，生物质炭的吸附能力与生物质材料的来源、制备条件等密切相关[3]。因此，基于生物质废弃物探索出一条合理、易于操作的制备生物质炭的方法备受人们的关注，且已取得了显著的成效[4-7]。麻疯树的果实麻疯树籽在用作制备生物柴油的过程中产生大量的麻疯树籽壳[8]，直接丢弃，不但污染环境，而且造成了资源的极大浪费。将麻疯树籽壳用来制备生物质炭，是解决此问题的一个有效途径。

随着工业的发展，大量含铬废水排放至江河湖泊，对人类和动物赖以生存的环境构成了极大的挑战。目前，处理含铬废水的方法主要有：离子交换、化学沉淀、膜分离、吸附等[9]，其中吸附法操作简便、廉价易得，应用广泛。采用吸附法处理污染废水，关键的问题在于寻找优良的吸附剂[10]。本研究以麻疯树籽壳为原料，探索了制备条件如活化剂浓度、炭化时间、炭化温度等对生物质材料吸附性能的影响，并研究了吸附剂投加量、溶液pH值等工艺参数对六价铬离子吸附去除效果的影响，以期为麻疯树籽壳生物质废弃物的深加工利用提供参考。

1　材料和方法

1.1仪器与试剂

SP-752型紫外-可见分光光度计(上海光谱仪器有限公司)；PB-10型pH计(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)；HHS-4型恒温水浴振荡器(上海博迅实业有限公司)；AL204-IC型电子分析天平(上海，梅特勒-托利多仪器有限公司)；马弗炉。

麻疯树籽购于百色市田东县；磷酸、重铬酸钾、盐酸、NaOH、二苯碳酰二肼等均为分析纯，购于南宁精密仪器科技有限公司。

1.2实验方法

“关键时刻有贵人相助”“讨厌的人统统消失”“重大失误后一样升职加薪”……“转发这条锦鲤”的后缀承载着这个时代的焦虑，也寄托着在生活与人际交往重压下突围的求生欲。

1.2.1生物质炭的制备

将适量麻风树籽壳以清水洗净，晒干后磨成粉末，过100目筛，取筛分后粉末适量，按10 g/100 mL的固液比置于预先配置好的一定浓度的磷酸溶液中，于25 ℃下搅拌，达到实验浸泡要求后，过滤，以蒸馏水对浸泡后的麻疯树籽壳材料清洗至中性，取出，烘干后再置于马弗炉中，调节适宜温度进行炭化一定时间后取出，研磨，过100目分子筛，备用。

1.2.2吸附实验

按实验要求称取一定质量的生物质炭加入若干250 mL具塞锥形瓶中，再加入一定质量浓度预先配置好的铬离子溶液，置于转速为170 r/min的恒温摇床，于25 ℃下震荡一定时间后，离心分离，取上层清液测定铬离子的残留量(采用二苯碳酰二肼分光光度法)，计算生物质炭对铬离子的去除率E。

E=(C0-Ct)/C0

(1)

式中，C0为铬离子溶液初始质量浓度；Ct为一定时间后铬离子溶液的质量浓度。

2　结果与分析

2.1磷酸浓度对生物质炭吸附能力的影响

将5 g麻疯树籽壳生物质材料置于不同浓度的磷酸溶液中，浸泡18 h后，在600 ℃下炭化1.5 h，制备出相应生物质炭。取0.5 g生物质炭置于100 mL质量浓度为50 mg/L的铬离子溶液中，考察活化剂浓度对生物质炭吸附能力的影响，结果见图1。

图1磷酸浓度对生物质炭吸附铬离子的影响

由图1可知，在活化剂磷酸的浓度由0.5 mol/L增加到2 mol/L时，对应条件下制备的生物质炭对铬离子的吸附去除率逐渐上升，这是因为磷酸具有氧化性和腐蚀性，在制备生物质炭的过程中，它能侵蚀原麻疯树籽壳的纤维骨架结构而造孔，磷酸浓度加大，能促使麻疯树籽的纤维结构与磷酸接触几率增大，则生物质炭的开孔率得到了增加，吸附能力上升[11]。磷酸浓度超过2 mol/L以后，去除能力反而有一定的下降，这说明过高的磷酸浓度可能会导致生物质炭孔壁的塌陷，堵塞已经形成的孔结构[12]。因此，较为适宜的磷酸浓度为2 mol/L。

2.2活化剂活化时间对生物质炭吸附能力的影响

将5 g麻疯树籽壳生物质材料置于2 mol/L的磷酸溶液中，改变溶液活化时间，达到实验要求后，在600 ℃下炭化1.5 h，制备出相应生物质炭。取0.5 g生物质炭置于100 mL质量浓度为50 mg/L的铬离子溶液中，考察活化剂活化时间对生物质炭吸附能力的影响，结果见图2。

图2活化时间对吸附效果的影响

由图2可知，随着活化时间的延长，制备出的生物质炭对铬离子的吸附效果先增加后减少。这是因为活化时间过短，活化剂磷酸还未充分与生物质材料的活性成分发生反应，造成出孔比率不高[13]。当时间超过18 h后，再增加活化时间，吸附效果反而有一定程度下降，原因可能是：其一，增大活化时间，会引起原来生成的孔进一步被磷酸腐蚀塌陷[14]；其二，过久的活化时间也会造成后续炭化过程中灰分的增加，降低生物质炭对铬离子的吸附效果。因此适宜的活化时间为18 h。

2.3炭化温度对生物质炭吸附能力的影响

将5 g麻疯树籽壳生物质材料置于2 mol/L的磷酸溶液中，浸泡活化18 h后置于马弗炉中，在不同炭化温度下炭化1.5 h，制备出相应生物质炭。取0.5 g生物质炭置于100 mL质量浓度为50 mg/L的铬离子溶液中，考察炭化温度对生物质炭吸附能力的影响，结果见图3。

由图3可知，随着炭化温度的上升，生物质炭对铬离子的去除率先增大后减少。在600 ℃下出现最高值。这是因为生物质材料的活性位点与磷酸发生氧化剥蚀作用需要一定的温度条件，温度升高能有效促进活性位点与磷酸发生作用，造孔率得到提升，吸附能力增强[15]。出现下降的原因可能是由于生物质炭材料在炭化的过程中产生灰分，这些灰分随着温度的升高而富集于生物质炭表面，进而残留孔隙中，减小了其比表面积，降低了其吸附性能。

图3炭化温度对吸附性能的影响

2.4炭化时间对生物质炭吸附能力的影响

将5 g麻疯树籽壳生物质材料置于2 mol/L磷酸溶液中，浸泡活化18 h后置于马弗炉中，在600 ℃下炭化一定时间后取出。取0.5 g生物质炭置于100 mL质量浓度为50 mg/L铬离子溶液中，考察炭化时间对生物质炭吸附能力的影响，结果见图4。

图4炭化时间对吸附效果的影响

由图4可知，随着炭化时间的增加，生物质炭对铬离子的去除率先增大后减少。较短时间内，麻疯树籽壳内的在高温条件下较易分解的纤维素、木质素等成分没有足够的时间来分解完全，不利于孔形成[16]；时间过长会造成部分孔结构出现坍塌，影响生物质炭的吸附能力，因此较佳炭化时间为1.5 h。

2.5溶液pH值对生物质炭吸附能力的影响

依次称取0.5 g的生物质炭置于6个250 mL具塞锥形瓶中，再分别加入质量浓度为50 mg/L的铬离子溶液100 mL，调节溶液pH值，震荡5 h后，取样分析溶液中铬离子的质量浓度，计算去除率，考察溶液pH值对吸附效果的影响，结果见图5。

图5pH对生物质炭吸附效果的影响

2.6生物质炭投加量对吸附效果的影响

在6个250 mL具塞锥形瓶中，依次加入质量浓度为50 mg/L的铬离子溶液100 mL，生物质炭加入量分别为2，3，4，5，6，7 g/L，调节pH值为3，震荡5 h后，取样分析溶液中铬离子的质量浓度，计算去除率，考察投加量对吸附效果的影响，结果见图6。

图6投加量对吸附效果的影响

从图6可知，当生物质炭投加量小于5 g/L时，去除率随投加量的增加而快速上升；当投加量超过5 g/L时，铬离子的去除率随着投加量的增加而增加的效果并不明显。其原因是生物质炭加入量过多，造成了堆积，生物质炭和铬离子不能充分接触，影响了去除率的提升。因此，较为适宜的生物质炭投加量为5 g/L。

3　结论

本实验采用磷酸溶液对麻疯树籽壳化学活化后再炭化制备生物质炭，并以生物质炭对铬离子的吸附去除率为指标来考察生物质炭的性能。最佳的制备条件为：磷酸浓度为2 mol/L，活化18 h，于600 ℃下炭化1.5 h时所获得的生物质炭吸附性能最好。将该条件下制备的生物质炭用于吸附铬离子模拟废水，表明较佳的吸附工艺条件为：生物质炭投加量为5 g/L、溶液pH值为3，对铬离子去除率为74.5%。

由于麻疯树籽壳生物材料来源广泛，将其制备成生物质炭并用于含铬离子的废水处理，既可以用于环境污染治理，也能为麻疯树籽壳的进一步利用提供参考。

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The Biochar Prepared by the Jatropha Curcas Seeds Shell and Its Adsorption Ability for Cr(VI) in Solution

ZUO WeiyuanTONG HaijuanSHI BingfangHUANG ChengdaYU Pengpeng

(GuangxicollegesanduniversitieskeylaboratoryofregionalecologicalenvironmentanalysisandpollutioncontrolofWestGuangxi,CollegeofChemistry&EnvironmentEngineering,BaiseUniversityBaise，Guangxi533000)

Jatropha curcas seeds shell is pyrolyzed and charred to obtain biochar after phosphoric acid treatment. The influences of some parameters on the Cr(VI) removal by the biochar prepared by Jatropha curcas seeds shell are investigated, such as phosphoric acid concentration, activation time, carbonization temperature, carbonization time, pH value and absorbent dosage. The results show that the maximum Cr(VI) removal rate is 74.5% at phosphoric acid concentration 2 mol/L, activation time 18 h, carbonization temperature 600 ℃, carbonization time 1.5 h, pH value 3 and absorbent dosage 5 g/L.

jatropha curcas seeds shellbiocharchromium ionadsorption

2015-06-15)

国家自然科学基金 (41163007)，广西自然科学基金(2012GXNSFAA053036)，广西高校科学技术研究项目(KY2015LX387,2013LX156)，百色学院大学生创新创业项目(201410609103)。

左卫元，男，1984年生，讲师，主要从事水污染控制研究。