玉米秸秆和花生壳生物炭改性研究

朱益刚，刘桂龙，孔宪昌，王修好，裴莹莹，庞念刚，梁 英

（黑龙江八一农垦大学理学院，黑龙江大庆 163319）

国内许多地区的农民将收割后的农作物废弃物（如玉米秸秆、花生壳等）聚堆燃烧，导致大气污染，同时也造成能源浪费，随之而来的各种环境问题也日益尖锐。但农作物的废弃物通过高温限氧热化学转化为廉价且有很好吸附作用的生物炭，不仅减少了因焚烧对环境造成的污染，同时还可得到一种价格低廉、吸附效果好的优良吸附剂——生物炭。生物炭具有极其发达的间隙结构、巨大的比表面积、多个表面化学特性和极大的表面活性[1-2]。此外，生物炭可作为催化剂，还可用于分层、精制、浓缩和褪色等。生物炭的改性是采用物理、化学的手段对生物炭进行处理，改变生物炭物理结构特性或吸附能力的目的[3-4]。目前，对生物炭改性研究主要以硝酸氧化改性为主[5]。试验通过改性可以改变生物炭的表面特性，从而促进对色素的吸附，提高生物炭吸附率、降低成本、保护环境。

以玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭为原料，采用硝酸、氢氧化钠、微波和超声等方法对其进行改性处理，以对色素的吸附效果为考查指标，确定吸附色素较好的改性方法，从而为工业化生产提供可靠试验依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂及仪器

玉米秸秆和花生壳生物炭，农村农业部规划设计研究院实验室提供；玉米秸秆、花生壳均来自大庆周边农场。

氢氧化钠、硝酸，沈阳化学制剂厂提供；纯净水，娃哈哈有限责任公司提供。

MM721AAU-PW型微波炉，广东美的微波炉制造有限公司产品；ARC120型电子精密天平，奥豪斯公司产品；SK3300H型超声波清洗器，上海科导超声仪有限公司产品；HH.S11-12468型水浴锅，上海博讯有限公司产品。

1.2 试验方法

1.2.1 4种改性处理

（1）玉米秸秆和花生壳生物炭→研磨→不同质量分数的硝酸溶液→圆底烧瓶→水浴锅加热回流→过滤→蒸馏水洗涤至中性→烘干。

（2）玉米秸秆和花生壳生物炭→研磨→不同质量分数的氢氧化钠溶液→圆底烧瓶→水浴锅加热回流→过滤→蒸馏水洗涤至中性→烘干。

（3）玉米秸秆和花生壳生物炭→研磨→水→不同超声时间→洗涤过滤→烘干。

（4）玉米秸秆和花生壳生物炭→研磨→水→不同微波时间→洗涤至中性→烘干。

1.2.2 电导率测定

分别称取0.8 g未改性和改性后的玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭，将其与准确量取的100 mL蒸馏水放入250 mL带塞的锥形瓶，搅拌10 min，滤纸过滤，滤液即为待测液。用电导率仪在25℃下测定待测溶液的电导率。

1.2.3 色素吸附测定[6]

取0.5 g未改性和改性后的玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭，50 mL亚甲基蓝稀释溶液（10 mg/L），混合搅拌静置2 h，离心机分离，用分光光度计测量波长670 nm处的吸光度。

2 结果与分析

2.1 4种改性处理对生物炭电导率的影响

玉米秸秆生物炭4种改性后电导率见表1，花生壳生物炭4种改性的改性电导率见表2。

表1 玉米秸秆生物炭4种改性后电导率/μs·cm-1

表2 花生壳生物炭4种改性的改性电导率/μs·cm-1

由表1和表2可看出，玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭经氢氧化钠和硝酸改性后的电导率变化明显高于微波和超声改性；随氢氧化钠和硝酸处理质量分数的增加玉米秸秆生物炭和花生壳生物炭的电导率增加，处理质量分数为12%时电导率均达最大，分别为2.31 μs/cm和2.24 μs/cm；随后，随着处理质量分数增大电导率略有减小，但变化不显著。

2.2 4种改性处理对生物炭吸附性能的影响

化学改性对色素吸附见图1，超声改性对色素吸附见图2，微波改性对色素吸附见图3。

由图1可知，玉米秸秆和花生壳生物炭用不同质量分数的氢氧化钠、硝酸改性后对亚甲基蓝的吸附能力增强。玉米秸秆和花生壳生物炭随着硝酸质量分数和氢氧化钠质量分数的增加亚甲基蓝吸光度先减小后趋于平稳，经氢氧化钠和硝酸处理的花生壳生物炭对亚甲基蓝的吸附均好于玉米秸秆，且经硝酸改性的生物炭除去色素效果好于氢氧化钠处理组。

由图2可知，玉米秸秆和花生壳生物炭对亚甲基蓝的吸附随着超声时间增加，吸附性能增强，120 min后趋于平稳，但总体吸附性能的改善不显著。

由图3可知，玉米秸秆和花生壳改性生物炭对亚甲基蓝的吸附随着微波处理时间增加，吸光度减小，但减小不显著。

图1 化学改性对色素吸附

图2 超声改性对色素吸附

图3 微波改性对色素吸附

3 结论

（1）玉米秸秆和花生壳生物炭经硝酸和氢氧化钠改性后电导率增大显著；微波和超声改性对生物炭电导率影响很小。

（2）玉米秸秆和花生壳生物炭硝酸改性后吸附能力增强；氢氧化钠改性后吸附能力较强；微波和超声改性对生物炭吸附性能影响不显著。硝酸改性对玉米秸秆和花生壳生物炭的影响最大，增加吸附能力强，HNO3质量分数在12%的时候对亚甲基蓝能力吸附最强。

综上所述，玉米秸秆和花生壳生物炭改性提高了对亚甲基蓝吸附，最佳改性方法和条件是硝酸质量分数为12%。