孟雅静，王晓雨，温海莲，买兆丰，吴启康，肖朝虎

（1.西北民族大学化工学院，甘肃兰州 730124；2.西北民族大学生命科学与工程学院，甘肃兰州 730124；3.西北民族大学实验中心，甘肃兰州 730124）

我国是玉米产量第一大国，玉米秸秆包括玉米的茎秆、叶梢和芯，是玉米收获后的副产物，每年都会有大量玉米秸秆产出[1-2]。甘蔗渣是甘蔗榨出糖汁的剩余物，是一种用途广泛、获取成本低廉的生物质纤维原料。而且中国是世界上甘蔗产量第三大国，每年的甘蔗渣产量超过2 000×104t[3]。我国的玉米秸秆除少部分作为草食动物的饲料、肥料、基料外，大约有70%作为燃料焚烧或直接翻入土壤中还田[2]。除少部分甘蔗渣作为发酵原料回收或者作为食草动物饲料之外[4]，大部分作为垃圾回收。玉米秸秆和甘蔗渣主要成分为纤维素、中纤维素、木质素与其他有机质和无机盐离子[5-6]，作为天然的炭源，开发利用玉米秸秆、甘蔗渣生物炭作为新型活性吸附材料具有广阔的应用前景。

1 材料与方法

1.1 原料及药品

玉米秸秆、甘蔗渣、高锰酸钾，天津市北方天医化学试剂厂提供；硫酸，白银银环化学试剂厂提供；氨水，天津市百世化工有限公司提供；重铬酸钾，天津市福晨化学试剂厂提供；二苯炭酰二肼，天津市天新精细化工开发中心提供。

1.2 仪器

7J-2型电热磁力搅拌器，常州国华电器有限公司产品；JA2103N型电子天平，上海民桥精密科学仪器有限公司产品；SRJX-4-13型马弗炉，北京科伟永兴仪器有限公司产品；HT-1102C型摇床，上海知楚仪器有限公司产品；T6型新世纪紫外分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司产品。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集及预处理

将玉米秸秆与甘蔗渣风干除去水分，粉碎成粉末，装入密封袋中备用。

1.3.2 生物炭的制备

分别准确称量5.00 g的玉米秸秆和甘蔗渣依次放入坩埚中，然后将样品放入马弗炉中，以不同炭化温度（350，400，450，500，550℃） 和不同炭化时间 （1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h） 制备得到不同条件下的生物炭，备用。

1.3.3 吸附性试验

配制1.0 mg/L重铬酸钾溶液，在6个锥形瓶中分别加入100 mL重铬酸钾溶液，然后再分别加入1.00 g不同条件下制备得到的混合生物炭，在30℃，200 r/min的条件下混合振荡9 h，过滤，根据国标法（GB 2771—1987） 分别检测吸附后的混合溶液，以Cr6+的清除率为评价指标，计算公式如（1）：

式中：W——重铬酸钾溶液中Cr6+的清除率，%；

m1——吸附试验前样品中Cr6+的含量，mg；

m2——吸附试验后样品中Cr6+的含量，mg。

1.3.4 单因素试验设计

根据1.3.2与1.3.3的试验方法，研究在炭化温度、炭化时间与生物炭配比3个条件下生物炭对Cr6+的清除率。

单因素试验因素与水平设计见表1。

1.3.5 正交试验设计

为进一步优化玉米秸秆与甘蔗渣生物炭最佳制备条件，在单因素试验的基础上，以玉米秸秆和甘蔗渣的炭化时间、炭化温度、生物炭配比为影响因素，采用L9（34）进行三因素三水平正交试验。

正交试验因素与水平设计见表2。

表2 正交试验因素与水平设计

1.3.6 绘制标准曲线

以Cr6+标准质量浓度（mg/mL） 为横坐标，吸光度（A）为纵坐标，根据GB 7486—1987绘制标准曲线。紫外分光光度计检测的吸光度与Cr6+含量呈线性关系，回归方程为Y=0.745X+0.001 4，回归系数R2=0.992 7，线性度较好。

Cr6+质量浓度标准曲线见图1。

图1 Cr6+质量浓度标准曲线

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

单因素试验结果见图2。

2.1.1 炭化时间对Cr6+清除率的影响

设定生物炭比例0.50∶0.50，炭化温度450℃，研究玉米秸秆和甘蔗渣在不同炭化时间（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h） 下制备得到的生物炭对Cr6+的清除率，结果如图2（a） 所示，在1.0 h和1.5 h下的生物炭对Cr6+的清除率相近，在2.0 h时Cr6+的清除率达到最大，而炭化时间大于2.0 h后，清除率开始下降，可能是由于炭化时间过长，破坏了生物炭的结构，因此采用炭化时间为2.0 h进行后续试验。

2.1.2 炭化温度对Cr6+清除率的影响

图2 单因素试验结果

设定生物炭比例0.50∶0.50，炭化时间2.0 h，研究玉米秸秆和甘蔗渣在不同炭化温度（350，400，450，500，550℃） 下制备得到的生物炭对Cr6+的清除率，结果如图2（b） 所示，随着炭化时间的增长，生物炭对Cr6+的清除率先下降后上升，在500℃制备的生物炭达到最大，而炭化温度大于500℃时，清除率开始下降，可能是由于温度太高破坏了生物炭的结构，因此采用炭化温度为500℃进行后续试验。

2.1.3 生物炭配比对Cr6+清除率的影响

设定炭化时间2 h，炭化温度500℃，研究玉米秸秆与甘蔗渣不同配比（0∶1.00，0.25∶0.75，0.50∶0.50，0.75∶0.25，1.00∶0） 条件下的生物炭对Cr6+的清除率，结果如图2（c） 所示，当玉米秸秆与甘蔗渣配比为0.50∶0.50时，生物炭对Cr6+的清除率最高，而配比大于0.50∶0.50时清除率开始下降，因此生物炭配比为0.50∶0.50时混合生物炭对Cr6+的吸附性能最佳。

2.2 正交试验结果

以炭化时间、炭化温度、生物炭配比为影响因素，采用L9（34）进行三因素三水平正交试验。

正交试验结果见表3，正交试验结果方差分析见表4。

表3 正交试验结果

表4 正交试验结果方差分析

经过极差分析和方差分析发现，炭化时间（A）对Cr6+的吸附影响显著，而炭化温度（B）、生物炭配比（C）对Cr6+的吸附性能影响不显著，各因素强弱顺序为A＞B＞C，最佳的吸附组合条件为A1B1C2，即炭化时间2.0 h，炭化温度450℃，生物炭配比0.50∶0.50时混合生物炭对Cr6+的清除率最高。

3 结论

以单因素试验和正交试验为基础，在不同炭化时间、炭化温度与生物炭配比下研究混合生物炭对Cr6+的吸附性能。单因素试验结果发现在1.0 h和1.5 h下的混合生物炭对Cr6+的清除率相近，在2.0 h时对Cr6+的清除率达到最大，时间大于2.0 h时清除率开始下降；随着炭化时间的延长，生物炭对Cr6+的清除率先下降后上升，在500℃制备的生物炭清除率最佳，炭化温度高于500℃时，清除率开始缓慢下降；生物炭对Cr6+的清除率在生物炭配比为0.50∶0.50时达到最高，配比大于0.50∶0.50时，清除率开始下降。正交试验结果发现，炭化时间对Cr6+的吸附性能影响显著，而炭化温度、生物炭配比对Cr6+的吸附性能不显著，各因素影响强弱顺序为A＞B＞C，生物炭的最佳制备条件为A1B1C2，即炭化时间1.5 h，炭化温度450℃，生物炭配比0.50∶0.50为最佳制备条件，此条件下制备的混合生物炭对Cr6+的清除率可达88.74%。

[1]左旭，王红彦，王亚静，等.中国玉米秸秆资源量估算及其自然适宜性评价 [J].中国农业资源与区划，2015，36（6）：5-10.

[2]史海涛，杨军香，田雨佳，等.玉米秸秆营养价值的开发利用——未充分开发利用的廉价资源[J].中国奶牛，2012（17）：3-11.

[3]周金梅，李思明，覃春芳，等.有机溶剂法纯化蔗渣木质素 [J].应用化工，2017，46（8）：1 447-1 450.

[4]罗启荣.甘蔗叶与甘蔗渣用于饲料的开发利用 [J].农业与技术，2017，37（12）：243.

[5]张强，秦涛，张红艳，等.玉米秸秆的综合开发利用 [J].玉米科学，2006，14（2）：168-169.

[6]吴鸿欣，曹洪国，韩增德，等.中国玉米秸秆综合利用技术介绍与探讨 [J].农业工程，2011，1（3）：9-12.◇