改性生物炭对考马斯亮蓝的吸附研究

陈修栋，曹小华，汪亚威，占昌朝

（九江学院化学与环境工程学院，江西九江 332005）

当今，清洁水资源短缺已经成为人类社会发展的焦点问题。清洁水资源短缺主要是由于可用水资源本身较少，且产生了大量的工业废水，尤其是印染废水［1-3］。染料废水属于目前几种难治理的废水之一，有机染料含量高、组成复杂、色度深、毒性大［4-6］。据调查，在世界范围内，每年大约有10%甚至超过10%的染料未经处理直接排放到江河湖泊中，造成严重的污染［7］。化学降解、生物降解、物理吸附是工业上处理印染废水的常用方法。

本课题选用的改性生物炭是一种具有较大比表面积和良好孔结构的材料，具有作为吸附和催化材料的良好条件，因此，改性生物炭用作吸附剂具有广阔的应用前景和重要的经济意义［8-11］。

本课题以废弃小麦桔杆为原料制备了生物炭，采用KOH 进行改性，并将其用于印染废水中考马斯亮蓝（CBG）的吸附研究，为开发利用小麦桔杆这种廉价的生物质材料、提高其附加值提供了可靠的技术基础。

1 实验

1.1 仪器与试剂

仪器：UV-2550 型紫外分光光度计（日本岛津分析仪器公司），JB-3 型恒温磁力搅拌器（上海电磁新经仪器公司），恒温水浴锅，电热恒温鼓风干燥箱，DL-SM 型离心机（长沙湘仪离心机仪器有限公司），CVD（D）-05/30/1 型低温管式炉（合肥日新高温技术有限公司），ASAP2020M+C 型全自动微孔分析仪（美国麦克仪器公司），HB-4 便携式pH 计（上海三信仪表厂）。实验试剂均为分析纯，实验用水均为去离子水。

1.2 生物炭的制备

1.3 生物炭的改性

将生物炭（C）和KOH 按质量比4∶1 混合均匀，研磨，移至管式炉铁管中进行烧制；通入200 mL/min 的N2作为保护气体，以2 ℃/min 从室温升至850 ℃，保温1.0 h，冷却至室温［12-14］。取出生成物，用0.2 mol/L 稀盐酸和去离子水反复洗至中性，80 ℃干燥12 h，得到改性生物炭（K-C），贮存于塑料瓶中，封口备用。

1.4 吸附实验

在100 mL CBG模拟染料废水中加入适量K-C，在不同pH条件下进行静态吸附实验，并在8 000 r/min下离心10 min，取上清液，用紫外分光光度计在波长584 nm下测吸光度，根据郎伯-比尔定律计算水中CBG的去除率：

其中，A0为吸附前的吸光度，A为吸附后的吸光度。

1.5 比表面积测定

称量样品和测试管的质量，脱气处理30 min后，再称量得到样品的实际质量，最后计算比表面积。

2 结果与讨论

2.1 结构表征

2.1.1 X 射线粉末衍射（XRD）

从图1 可以看出，小麦桔杆炭化后得到一类无定形的碳材料；通过KOH 活化生成的K-C 结构没有发生太大的改变，还是维持无定形状。

图1 生物炭与改性生物炭的XRD 图

2.1.2 拉曼光谱

由图2 中可以看出明显的D 峰（1 380 cm-1，C 原子晶格的缺陷）和G 峰（1 590 cm-1，C 原子sp2杂化的面内伸缩振动）。活化前后ID/IG（D 峰和G 峰的强度比）值分别为1.25、1.68，说明改性后的生物炭缺陷程度明显增大［15-16］。

在整个医学检验质量控制工作中，医学检验人员发挥着至关重要的作用，其是实现医学检验高质量、高效率的基础。但是就目前来看，很多医疗机构内的检验人员在进行医学检验的时候，很容易会出现疏忽大意的情况，没有对医学检验质量进行严格的控制，从而导致医学检验质量大幅下降，使检验结果的准确性得不到有效的保障。

图2 生物炭与改性生物炭的拉曼光谱图

2.1.3 比表面积

从图3 可知，生物炭具有较大的比表面积（630.5 m2/g），KOH活化后的生物炭比表面积可达690.5 m2/g。比表面积的增大主要是由于KOH 在高温条件下促使碳形成各向同性和非石墨化无定形碳，而且残留于生物炭中的含钾化合物对改性过程有促进作用，能形成大孔结构。

图3 生物炭与改性生物炭的比表面积

2.2 生物炭吸附CBG 的影响因素

2.2.1 生物炭用量

在实验温度（25 ℃）恒定、CBG 初始质量浓度40 mg/L、溶液初始pH=6的条件下，考察C与K-C对CBG去除率的影响，结果如图4所示。从图4可知，KOH活化后的小麦桔杆碳对CBG的去除率比没有活化前明显提高；且20 min内就可以达到75%左右，20 min后去除率变化变小，25 min时吸附基本达到平衡，可能归因于吸附平衡热力学的限制。K-C和C用量为2 g/L时，CBG去除率分别高达93.9%、50.8%，K-C 的去除率比C 大，可能归因于大的比表面积和缺陷程度。所以，K-C和C用量选择2 g/L。

图4 生物炭用量对CBG 去除率的影响

2.2.2 CBG 初始质量浓度

在常温、K-C 和C 用量2 g/L、pH=6 的条件下，研究CBG 初始质量浓度对CBG 去除率的影响，结果如图5 所示。从图5 可知，CBG 去除率与初始质量浓度呈反比，初始质量浓度增大，去除率减小；CBG 初始质量浓度为20 mg/L 时，两种吸附剂的去除率分别达到98.8%、63.5%，增幅都较大；在CBG 初始质量浓度为40、80 mg/L 时，CBG 去除率增幅变小。主要是因为溶液中吸附剂的数量和吸附位点一定，随着CBG 初始质量浓度的增大，达到吸附饱和后，去除率会呈现下降趋势。因此，需根据CBG 的初始质量浓度来调整K-C 用量，以便选择最佳的实验方案。

图5 CBG 初始质量浓度对CBG 去除率的影响

2.2.3 溶液pH

在常温、K-C 和C 用量2 g/L、CBG 初始质量浓度40 mg/L 条件下，改变染料溶液的初始pH，去除率结果如图6 所示。从图6 可知，溶液pH 对CBG 去除率的影响很大;当pH=6 时，K-C 和C 对CBG 的去除率最高，分别可达93.7%、50.7%；在pH=7 的条件下，去除率明显降低。主要原因可能是随着pH 的减小，溶液中氢离子浓度增加，K-C 和C 表面质子化，正电荷增多，可与CBG 分子中富含孤对电子的N、O 形成氢键，CBG 能被迅速吸附，因而去除率增大。

图6 溶液pH 对CBG 去除率的影响

2.2.4 再生性实验

把吸附实验后的溶液进行反复离心和超声处理，烘干得到实验后的K-C。在pH=6、K-C用量2 g/L、CBG初始质量浓度40 mg/L的条件下进行静态吸附实验，在30 min 内反复再进行相应的吸附实验，结果如图7 所示。由图7可以看出，K-C重复使用8次后，CBG去除率还能够达到80.9%。

图7 K-C 吸附次数对CBG 去除率的影响

3 结论

采用KOH活化的方法制备改性生物炭（K-C），制备方法简单而且高效。在高温条件下，改性生物炭比表面积和缺陷程度增大，可以加快结合效率，提高CBG废水的去除率。在常温（25 ℃）、pH=6、K-C用量2 g/L、CBG初始质量浓度40 mg/L的条件下进行静态吸附实验，在30 min内，CBG去除率达到93.7%。与未改性的生物炭相比，K-C 对CBG 的去除率明显提高，具有广泛的应用前景。