谢伟雪 何碧红

摘要 [目的]研究改性废纺织基生物炭的性能及其吸附特性。[方法]通过对纺织废物改性，对制备出的生物炭进行产率、元素组成、SEM谱图、红外谱图、pH等的研究，确定出改性废纺织基生物炭的性能和吸附特性。[结果]炭化温度为400 ℃时，改性生物炭含碳量增加了7.2%，产率增加了15.1%，pH呈弱碱性。改性样得到的生物炭中含有—OH、—CH3、—CH2、CO、CC基团，表面结构有大量的微孔和中孔，碘和亚甲基蓝吸附值都很高，有较好的吸附能力和脱色能力，Cr（Ⅵ）初始浓度为80、150 mg/L时，平衡吸附量分别为7.3、27.6 mg/g，对废水中Cr（Ⅵ）有较好的吸附效果。[结论]改性废纺织基生物炭含碳量高，吸附效果好，具有化学稳定性，可应用于水体中重金属污染物的吸附。

关键词 改性废纺织物;生物炭;性能;吸附特性

中图分类号 X 791  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）06-0050-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.011

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Properties and Adsorption Characteristics of Modified Waste Textile Based Biochar

XIE Wei-xue，HE Bi-hong

（Lanzhou Resources and Environment Voc-Tech University，Lanzhou，Gansu 730021）

Abstract [Objective]To study on the properties and adsorption characteristics of modified waste textile based biochar.[Method]The properties and adsorption properties of the modified waste textile based biochar were determined by analyzing the yield， element composition， SEM， infrared and pH of biochar. [Result] When the carbonization temperature was 400 ℃， the carbon content of the modified biochar increases by 7.2%， the yield increases by 15.1%， and the pH was weak alkaline. The biochar obtained from the modified sample contains groups of -OH， CH3， CH2， C=O and C=C， and there were a lot of micropores and mesopores on the surface structure. The adsorption value of iodine and methylene blue was very high， and the adsorption capacity and decolorization ability were better. When the initial concentration of Cr （VI） was 80 and 150 mg/L， the equilibrium adsorption capacity was 7.3 and 27.6 mg/g，respectively， which had a good adsorption effect on Cr （VI） in wastewater. [Conclusion]The modified waste textile based biochar has high carbon content， good adsorption effect and chemical stability， and can be used for the adsorption of heavy metal pollutants in water.

Key words Modified waste textile;Biochar;Performance;Adsorption characteristics

基金項目 甘肃省教育科学“十三五”规划2020年度重点资助课题（GS〔2020〕GHBZ200）;2021年甘肃省高等学校创新基金项目（2021A-247）;2020年甘肃省高等学校创新基金项目（2020A-221）。

作者简介 谢伟雪（1982—），女，甘肃甘谷人，教授，硕士，从事固体废物处理与资源化研究。

收稿日期 2021-05-12

随着人们生活水平的提高，对纺织品的使用更新速度越来越快，每年都有大量的旧纺织品产生，纺织废物主要是无法再利用的布条、棉麻边角料、车间清扫纺织品和灰尘混合物。在废旧纺织品的循环利用和处理上，目前还没有成熟的回收体系和处置规范，配套的技术手段和措施还比较薄弱，还处于初级探索阶段，废旧纺织品的售出量和回收再利用率仍然很低。目前对纺织废物处理的方式主要是填埋和焚烧，纺织废物不易降解，掩埋后对环境造成极大危害;在焚烧过程中会产生大量有害气体，严重污染大气环境，这2种处理方式都会造成严重的环境污染[1]。

如何对纺织废物开展再回收利用，缓解紧张的土地资源，以节约资源和能源，减少二次污染是值得研究的课题。将纺织废物制备成高附加值的生物炭[2]，是有益于环境和资源综合利用的，是符合产业生态环保、低碳绿色可持续发展的。因此，笔者通过对生活垃圾废纺织品进行改性，对比改性样和原样制备出的生物炭产率、化学组成、SEM谱图、红外谱图、pH等的分析，表征生物炭吸附特性和研究生物炭对含重金属Cr（Ⅵ）废水吸附动态曲线，从而确定出改性废纺织基生物炭的吸附能力和吸附效果，为废纺织品的资源化利用和吸附材料的制备提供一种新方向。

1 材料与方法

1.1 试材

试验所用的纺织废物来自兰州资源环境职业技术学院智能垃圾分类回收工作室，吸附性能指示剂为碘溶液和亚甲基蓝溶液，所用化学试剂都为分析纯。

1.2 仪器设备

粉碎机、电热鼓风干燥箱、真空管式炉、离心机、空氮一体机、雷磁酸度计、元素分析仪、智能傅立叶红外光谱仪、SEM电镜等。

1.3 改性纺织废物生物炭的制备

1.3.1 纺织废物的改性。

将纺织废物浸泡洗净后剪碎，浸泡在含有硝酸盐和磷酸盐混合液的处理剂后，放置水浴中加热至80 ℃，边加热边搅拌，恒温浸渍30 min后，挤出水分热风干燥，粉碎得到改性的废纺织改性样，放入干燥器中备用[2]。

1.3.2 生物炭的制备。

将废纺织原样和改性样在惰性气体氮气的保护下以5 ℃/min的升温速率升温至200～450 ℃，然后炭化0.5～2.0 h，等冷却以后产品称质量，得到生物炭，计算产率、进行性能分析和测定碘、亚甲基蓝和对含Cr（Ⅵ）废水进行吸附[3-4]。

1.4 生物炭的性能

生物炭元素含量[5]通过Vario EL Ⅲ元素分析仪测定;表面形貌[6]通过Phenom Pro SEM扫描电镜观察;表面结构特征[7]通过Licolet 5700智能傅立叶红外光谱仪检测;pH通过雷磁酸度计测定。

1.5 生物炭的吸附特性

1.5.1

碘吸附值和亚甲基蓝吸附值。碘吸附值根据GB/T 12496.8—1999《木质活性炭试验方法碘吸附值的测定》进行测定，亚甲基蓝吸附值根据GB/T 12496.10—1999《木质活性炭试验方法亚甲基蓝吸附值的测定》进行测定[8-9]。

1.5.2

对含Cr（Ⅵ）废水的吸附值。在250 mL 蓝盖瓶中放入0.1 g 改性废纺织生物炭样品，加入浓度为80、150 mg/L 100 mL的Cr（Ⅵ）溶液，分别于5、10、15、25、50、100、150、200、300、400、500 min时取样测定Cr（Ⅵ）的浓度，确定Cr（Ⅵ）的吸附动态曲线。

2 结果与分析

2.1 改性纺织废物制备生物炭

称取一定量的废纺织原样和改性样，分别在炭化温度为350和400 ℃、炭化时间为1.5 h、升温速率为5 ℃/min、氮气流量为200 mL/min条件下，制备生物炭，结果分析如表1所示。

由表1可知，在相同条件下，废纺织原样和改性样制备的生物炭含碳量和产率有明显不同，用含氮盐和含磷盐改性的废纺织物生物炭含碳量和产率均高于原样。改性样与原样生物炭相比，在炭化温度350 ℃时，含碳量增加了7.2百分点，产率增加了7.4百分点;在炭化温度400 ℃时，含碳量增加了7.2百分点，产率增加了15.1百分点。随着炭化温度的升高，生物炭产率都有不同程度的降低，但是改性样降低较小。这是因为对废纺织物改性的过程中加入了含有磷酸盐和硝酸盐的混合液进行处理，磷酸盐含有磷元素，硝酸盐含有氮元素，二者均可作为无机阻燃剂，能够降低炭化的温度，提高生物炭的产率。氮元素的存在能够促进纺织品中的纤维在热解时的脱磷酰和酸催化脱水反应，磷元素的存在能够促进纺织品在受热时碳的生成，提高热解阶段产生的残渣中生物炭的含量。

2.2 生物炭元素含量

生物炭是含碳量为60%以上的生物质，还含有少量的氢、氮、硫等，通过对废纺织改性样在炭化温度分别为350、400 ℃生物炭样品进行元素含量分析。从表2可以看出，废纺织物生物炭的元素组成与炭化温度有关。随着炭化温度的升高，生物炭中碳含量显著增加，碳含量增加了3.4百分点，氢、氮和硫元素含量下降。这是因为改性样中含有磷和氮组分，在热解炭化过程中能够增加表层的含碳量，促进成炭而形成炭化层。这说明废纺织物改性后提高了生物炭的碳含量，而且炭化温度越高，生物炭含碳量越多，炭化越完全，品质越好。

2.3 生物炭表面形貌

通过对改性样炭化温度分别为350、400 ℃下制备的生物炭进行表面形貌分析，得到SEM电镜扫描图（圖1）。从图1可以看出，废纺织改性样表面结构粗糙且蓬松，出现了孔隙，这有利于热解炭化;经热解炭化后，生物炭表面结构平整致密，厚度增加，有大量密集的微孔出现;炭化温度越高，结构越平整，厚度越厚，微孔越多。这是因为热解炭化过程中，由于碳源的存在，使炭层逐渐加厚，致密稳定;由于有气体的存在，气体从改性样的内部释放而出，使得到的生物炭表面炭层进一步的膨胀，形成大量密集的微孔。在相同炭化温度条件下，改性样生物炭表面结构有大量的微孔，有较好的吸附能力。

2.4 生物炭表面结构特征

对炭化时间为2 h，炭化温度分别为350、400 ℃时，改性样得到的生物炭进行FTIR测定，结果如图2。

从图2可以看出，相同炭化时间，炭化温度分别为350、400 ℃下得到的生物炭表面官能团稍有差异，其中在3 306、2 927、1 691、1 548、1 425、1 156和1 031 cm-1 处的吸收峰有较明显的变化。在3 306和2 927 cm-1左右均有吸收峰，炭化温度在400 ℃时吸收峰都增强，谱带都较宽，说明生物炭中存在酚羟基或醇羟基和—CH2或—CH3基团，随着炭化温度的升高，—OH、—CH2和—CH3基团都增强，有可能不存在不饱和的C—H键。生物炭在1 691和1 548 cm-1左右吸收峰增强且呈现双峰，说明生物炭中有芳环存在，炭化温度对CO和CC基团有明显的影响。在1 425、1 156和1 031  cm-1处吸收峰也较明显，说明生物炭中存在芳香有机物，且随着温度的升高，芳香类有机物基团增强。

2.5 生物炭pH

对改性样在炭化温度300、350、400和450 ℃下得到的生物炭进行pH分析，结果发现，其pH分别为9.10、9.51、9.73和9.91，可见改性样得到的生物炭的pH呈碱性，炭化温度在从300 ℃升高到450 ℃得到的生物炭的pH均呈弱碱性。随着炭化温度的逐渐升高，生物炭的pH也逐渐增加。生物炭呈弱碱性是因为生物炭表面含有碱性基团和灰分成分。碱性基团是在高温热解过程中形成的，存在于生物炭表面，主要为无机碳酸盐和有机官能团CO和—O—;灰分中含有钠、钾、钙、镁的氧化物或碳酸盐等矿质物质，溶于水后呈碱性。生物炭在酸性土壤中具有聚碳作用，增加土壤盐基饱和度[10]，增强土壤保肥能力，改善植物生长环境。

2.6 生物炭吸附特性

2.6.1 生物炭吸附表征。

通常用碘吸附值和亚甲基蓝吸附值来表征生物炭的吸附性能，对炭化温度为300、350、400、450 ℃改性样得到的生物炭进行碘吸附值和亚甲基蓝吸附值测定。从表3可以看出，改性样得到的生物炭碘吸附值很高，碘吸附值随炭化温度的升高先增大后减小，在炭化温度350 ℃时，碘吸附值达到最大值（2 493 mg/g）;亚甲基蓝吸附值也很高，亚甲基蓝吸附值随炭化温度的升高先增大后减小，在炭化温度400 ℃时，亚甲基蓝吸附值达到最大值（214 mg/g）。碘吸附值表示生物炭结构中微孔的发达程度，是生物炭对小分子污染物吸附能力的表现;亚甲基蓝吸附值表示生物炭结构中中孔的发达程度，是衡量生物炭的脱色能力[10-11]。因此，生物炭的结构含有发达的微孔和中孔，有很强的吸附和脱色能力。

2.6.2 生物炭对废水中Cr（Ⅵ）的吸附动态曲线。

在吸附温度为25 ℃、不改变pH下，生物炭对初始浓度80、150 mg/L的Cr（Ⅵ）进行吸附，吸附动态曲线如图3所示。

从图3可以看出，Cr（Ⅵ）的初始浓度越大，吸附量越大，生物炭的吸附動态曲线相近。吸附初期0～25 min吸附速率很快，吸附量增大较快，表明吸附初期生物炭表面吸附点位较多;吸附中期25～400 min吸附速率减慢，吸附量增大缓慢，表明生物炭表面吸附点位减少;吸附后期400～500 min吸附量增加不多，吸附达到平衡，生物炭表面吸附点位饱和[11]。初始浓度为80、150 mg/L时，平衡吸附量分别为7.3、27.6 mg/g，生物炭对废水中Cr（Ⅵ）有较好的吸附效果。

3 结论

（1）在相同条件下原样和改性样制备的生物炭产率有明显的不同，纺织废物经过含氮盐和含磷盐混合液改性后，生物炭含碳量和产率明显提高;改性废纺织基生物炭随着炭化温度的升高，生物炭中碳含量显著增加，氢、氮和硫元素含量下降，炭化越完全，品质越好。

（2）改性废纺织基生物炭表面粗糙且蓬松，出现了孔隙，有利于热解炭化，生物炭表面结构有大量的微孔，有较好的吸附能力。生物炭的结构官能团与炭化温度有关，随着炭化温的升高，生物炭中—OH、—CH3、—CH2、CO、CC基团都有增强。

（3）生物炭的pH呈碱性，随着炭化温度的升高，生物炭的pH相应增加。生物炭能够中和土壤中的质子，改良酸性土壤，提高土壤肥效。

（4）生物炭碘吸附值和亚甲基蓝吸附值都很高，生物炭

结构含有发达的微孔和中孔，有很强的吸附和脱色能力，对含重金属Cr（Ⅵ）的废水有较好的吸附效果。生物炭是一种含碳的吸附材料，可应用于废水中重金属的吸附和增强土壤保肥能力。

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