1种蟹副产物来源的生物炭的制备、表征和应用

周燕，马磊，孙建安*，毛相朝,2

(1.中国海洋大学，山东 青岛 266000； 2.青岛海洋科学与技术国家海洋药物和生物制品实验室，山东 青岛 266237)

生物炭是生物质能原料经热裂解之后的产物，其主要成分是碳原子, 在制备过程中还可以回收利用产生的气态成分如可燃气体、挥发油和焦油蒸汽[1]。生物炭在增加土壤碳汇、减少温室气体排放和修复水体污染等方面有着广泛的应用[2-4]。将富含有生物质的农业残留物转变成生物炭，还可以通过生物炭的生产实现农业残留物的高值化利用和农民增收，如Demirbas等[5]利用土耳其境内的农业残留物如玉米芯等制备生物炭。另有研究认为，生物炭的制备是一个双赢过程，不但能实现生物能源制造和永久性固碳，同时还可以提高土壤和水体质量[6]。常规水体净化主要包括砂石过滤、煮沸、太阳消毒和氯化，通常是基于物理、化学或生物原理的单一或几种方式处理污染水体，但存在着处理能力有限、成本高等不足。而生物炭吸附剂集低成本、环境友好、可回收和可多方面处理污染水体等优势于一体，是各国学者研究的重点领域[7]，但目前生物炭吸附剂水处理的开发和应用还非常有限，仍需进一步扩大推广。

中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)，俗称河蟹、毛蟹或大闸蟹，是中国传统水珍产品，广泛分布于中国长江中下游地区和两岸湖泊。蟹副产物是指蟹壳、蟹腿和蟹身(去掉蟹黄)等物质，主要来源于中华绒螯蟹加工产品过程中，一般富含甲壳素、钙和蛋白质等物质[8]。生产中通常将蟹副产物酶解，从酶解液中回收蛋白质制作蟹风味调味品，这一过程实现了蟹副产品中蛋白和脂质的有效回收，而蟹副产品中含量较高的甲壳素和钙等却未得到充分回收，仍大量残存于酶解回收后的剩余固体物中。这些固体剩余物，即蟹副产品制作调味液后的剩余物，质地坚硬、紧密，多直接废弃或采用化学法做进一步降解处理。然而，废弃或化学法处理对环境会产生不良影响，并不是理想的处理方式。因此，对蟹副产品酶解回收蛋白和脂质后的固体剩余物进行合理的开发利用是实际生产中亟需解决的难题。

生物炭制作是一种高值化和低污染的处理方式。蟹副产物中甲壳素具有片层结构和带状孔道结构，这为制备多孔的吸附剂材料提供了可能，若以调味汁制备后的剩余固体物为原料，开发制作生物炭吸附剂，不但可实现蟹副产品的高值化应用，而且还可推动生物炭水处理技术的应用发展，是一种经济效益和社会效益兼收的有效方式。基于此，本研究以蟹副产物制备调味汁后的固体残渣为研究对象，利用氮气吸附法(BET)测定不同温度下制备生物炭的比表面积，确定蟹副产品生物炭制备的最佳条件。在此基础上，对最优条件下制备的生物炭进行了元素分析，考察了其对Cu2+、Cd2+和Pb2+的吸附能力，并通过傅里叶红外光谱(FT-IR)和扫描电镜(SEM)对生物炭进行表征和吸附机制分析。

2 材料与方法

2.1 原料

中华绒螯蟹由江苏泓美食品有限公司提供。取蟹副产物经过调味汁制备后剩下的固体残渣，作为生物炭制备原料。

2.2 仪器与试剂

主要仪器包括：马弗炉(JKKZ-4-10，济南精密科学仪器仪表有限公司)、pH计(PHS-3C，上海仪电科学仪器有限公司)、比表面积孔径分析仪(Micromeritics ASAP 2460，美国麦克仪器有限公司)、傅里叶红外光谱仪(Thermo Fisher Scientific)、TESCAN VEGA3扫描电镜(TESCAN VEGA3，泰斯肯公司)和元素分析仪(EuroVector EA3000，意大利欧维特有限公司)。

主要试剂包括：硝酸镉(99%，分析纯)、氯化铅(99%，分析纯)及五水硫酸铜(99%，分析纯)等。

2.3 生物炭制备

2.3.1 制备温度筛选

选取9只烘干至恒重的坩埚，称量并分别记录空坩埚质量(m坩)。称量原料，记录质量(m0)，将其放入称重后的坩埚中，分别在500 ℃、700 ℃和900 ℃条件下处理2 h，升温速率为16 ℃/min。每个温度3个重复。

2.3.2 产率计算

式(1)

待温度冷却后，称量坩埚和生物炭的合重(m合)。用合重(m合)减去坩埚质量(m坩)，得到生物炭质量(m炭)后，按照公式(1)计算生物炭的产率。

2.3.3 pH测定

称取适量生物炭样品置于三角瓶中，缓慢加入去离子水。用封口膜封住三角瓶口，振荡一段时间，用pH计测定生物炭的pH。

2.3.4 比表面积测定

采用比表面积孔径分析仪，通过BET对试样进行测试。在真空条件下进行预脱气处理，然后再吸附氮气，测试温度为-195.850 ℃ (77 K)，根据BET方程式计算得到被测试样的相关孔参数。以比表面积为指标，确定蟹副产品生物炭的最佳处理温度，将该条件下制备的生物炭用于后续实验。

2.4 生物炭元素分析

将适量样品均匀平铺在锡箱杯底部并且密封后压制成形。将样品放入已经通过检漏并升温至特定温度的元素分析仪中测定样品的碳、氮、氢、硫和氧元素含量[9]。并且计算O/C比，评价生物炭的固碳能力。

2.5 生物炭对镉、铅和铜重金属溶液的吸附能力测定

选择比表面积最大的生物炭进行重金属吸附实验。镉离子浓度测定方法采用GB 5009.15—2014测定；铅离子浓度测定方法采用GB 5009.12—2017中的第二法测定；铜离子浓度测定方法采用GB 5009.13—2017中的第三法测定。铅、镉和铜溶液初始质量浓度分别为5、3和3 mg/L，分别按照500、300和300 mg/L水平加入生物炭。加入生物炭后，放置于30 ℃摇床，振荡2 h，过滤，结束吸附实验。测定溶液中的重金属含量，并且计算吸附率。

2.6 生物炭结构分析

使用FT-IR光谱仪，在4 000～400 cm-1的频率范围内，以KBr负载的生物炭制备原料和生物炭样品进行红外扫描，分辨率为2 cm-1[10]。

2.7 生物炭表面形态观察

用TESCAN VEGA3扫描电子显微镜在20 kV下操作， 在5 000放大倍数下扫描样品的表面形态。在实验前需要预先干燥样品以减少水分的影响。

3 结果与分析

3.1 不同温度条件下制备的生物炭的性质表征

1)pH

500 ℃、700 ℃和900 ℃条件下制备生物炭的pH值如表1所示。在500 ℃时，生物炭pH为10.39，在700 ℃和900 ℃时，生物炭pH为13.37。可见，随着热解温度增加，pH值增加，生物炭碱性增加。Yuan等[11]研究结果显示，高温条件下的生物炭显示强碱性原因主要是由碳酸盐引起，而对于较低温度制备的生物炭呈现碱性原因是—COOH和—OH类官能团使生物炭带负电荷。

2)产率

500 ℃、700 ℃和900 ℃条件下制备的生物炭产率如表1所示。以经过前处理的蟹副产物制备的生物炭，其产率由500 ℃时的62.60%降至900 ℃时的37.85%，其产率随着温度升高而降低。生物质加热时，外部给予的热能使得生物质原料中的物质破坏。随着温度升高，所含物质越容易发生分解，从而暴露出的生物炭结构越多，导致产率下降。

表1 500 ℃、700 ℃和900 ℃条件下制备的生物炭性质表征Tab.1 Characterization of biochar prepared at 500 ℃, 700 ℃ and 900 ℃

3)比表面积

比表面积指的是单位质量固体颗粒具有的表面积总和，是多孔固体物质的重要参数。作为吸附剂的生物炭，比表面积是影响其吸附特性的重要因素[12]。如图1(a)所示，原料的氮气等温吸附曲线属于Brunauer等温线中的Ⅱ型，此类等温线相当于发生在非孔或大孔固体上自由的单一多层可逆吸附过程。将氮气等温吸附线按照BET方程式拟合，结果如图2所示，拟合由仪器内置软件完成，具体的比表面积数值如表1所示，其中原料的BET值为2.449 9 m2/g。500 ℃、700 ℃和900 ℃条件下制备的生物炭的氮气吸附图如图1(b)～(d)所示，氮气吸附曲线都属于Ⅳ型，此类等温线相当于发生的反应是固体均匀表面上谐式多层吸附的结果。由图2(b)～(d)可知，500 ℃、700 ℃和900 ℃条件下制备的生物炭的BET值分别为3.996 3、2.872 2和2.838 1 m2/g。

挥发性物质的挥发程度对所产生的生物炭特性具有重大影响，挥发性物质释放越多，产生的生物炭具有更低的密度、更高的孔隙率和明显不同的孔结构，因此可以将生物炭样品用于生产不同碳材料的碳原料，例如活性炭、碳纳米管和碳纤维[13]。在500 ℃条件下制作的生物炭比表面积相比于原料增加63.12%，就是由于挥发性物质释放使得更多表面积被暴露出来所致。综上，将具有最高的BET值的500 ℃条件下制备的生物炭用于后续实验。

3.2 生物炭元素分析

原料和生物炭进行元素分析，结果如表2所示。生物炭高温裂解过程中，由于H、N和S等元素容易生成相应氧化合物等易挥发化合物，使得含量显著降低。生物炭中O/C比高于0.2时则认为其固碳能力一般[14]。值得注意的是，在生物炭中H元素测定结果为零，而本研究的后文中关于生物炭的傅里叶红外结果显示以及生物炭相关研究表明[14]，在500 ℃条件下H元素不可能完全挥发，造成这一测量结果的原因可能是H元素含量低于仪器测量检出限，以致在软件数据处理过程中被默认为零值。

表2 原料和生物炭的元素分析Tab.2 Elements analysis of materials and biochar %

3.3 生物炭对镉、铅和铜重金属溶液的吸附能力

500 ℃条件下所制备的生物炭的自身Cu2+、Cd2+和Pb2+三种重金属含量测定数值均接近零，这表明制备的生物炭本身对于重金属吸附实验无实质性影响。生物炭对Cu2+、Cd2+和Pb2+三种重金属的吸附结果如表3所示。Pb2+、Cd2+和Cu2+三种溶液的初始质量浓度分别为5、3和3 mg/L，吸附后分别降至0.47、0.01和0.00 mg/L，其吸附率分别为90.60%、96.67%和100.00%，吸附效果为Cu2+> Cd2+> Pb2+。Yang等[15]研究显示，在最佳条件下，Enteromorpha生物炭对于Cu2+和 Pb2+吸附效果为91% 和54%。Zhang 等[16]研究显示制备的生物炭对Pb2+有很好的清除效果。猪粪生物炭对于Cd2+最高吸附率为94.07%[17]。综上，本研究制备的生物炭对于铜、镉和铅的吸附率均在90%以上，且高于文献的报道值，可见蟹副产品生物炭对这3种重金属离子吸附效果良好。

表3 500 ℃条件下制备的生物炭对Cu2+、Cr2+和Pb2+三种重金属的吸附能力Tab.3 Adsorption capacity of biochar prepared at 500 ℃ for Cu2+、Cr2+and Pb2+

3.4 生物炭化学结构分析

原料和500 ℃条件下制备的生物炭的FT-IR红外扫描图谱如图3所示。从谱图整体特征看，在1 000～500 cm-1范围段生物炭谱图相比原料的谱图峰更加尖锐；在4 000～1 000 cm-1范围段生物炭相比于原料而言趋势更加平稳。

芳环的C—H键(C—H)伸缩振动在3 000～3 100 cm-1处有吸收峰，芳烃C—H键的面外弯曲在680～880 cm-1处有吸收峰。生物炭在3 050、850和700 cm-1均有明显的吸收峰，而原料只在850 cm-1处有一个比生物炭吸收峰峰值低的吸收峰。由此可见，生物炭在高温裂解过程中形成了芳环结构。有研究显示，高温下产生的生物炭的芳环结构会增加[18]。

3.5 生物炭表面形貌观察

SEM图像对于获得有关生物炭孔隙结构的准确细节非常有用，通过比较生物炭及其原料的表面形貌[20]，可以得出碳化阶段的形态变化结论。原料和生物炭的SEM图像如图4所示。由图4可知，原料的表面粗糙且结构致密[图4(a)]，这是因为甲壳素表面铺着结晶的钙矿物质。制备的生物炭出现多孔疏松结构、纤维结构和层状结构明显[图4(b)]。虽然原料质构紧密，但是在经过高温处理后，可以明显看到表面变得疏松多孔并且层状结构明显，这与BET测定结果一致。孔隙结构有利于物质进入生物炭内层，并与内层表面吸附位点和活性基团结合，进而增大生物炭的吸附量比如离子吸附能力等[21]。

3.6 生物炭的吸附机制

生物炭作为吸附材料，发生吸附作用的原理通常包括静电吸引、表面络合、溶解-沉淀和离子交换等。研究结果表明，生物炭对于Cu2+吸附属于准二级动力学模型(化学吸附是限速步骤)。等温吸附结果显示，其主要以单分子层形式吸附在生物炭表面[22]。生物炭对于Cu2+吸附主要是离子交换[23]，吸附受pH、吸附时间和离子浓度3种因素影响[15]。本研究制备的生物炭对于铜离子的良好吸附效果，可能是由于生物炭上所含的羟基等官能团与其发生了离子吸附。

生物炭对于Pb2+吸附为沉淀-溶解机制，沉淀主要是以碳酸铅形式存在[25]。通过吸附等温、吸附动力学和热力学分析，吸附过程主要以单层均质的化学吸附为主、低温非自发和高温自发的吸热反应过程为主。本研究制备的生物炭，对于Pb2+具有较好的吸附效果，可能是因为生物炭中丰富的碳酸钙含量引起的沉淀。

4 结论

本研究制备的生物炭，对于3种重金属吸附效果排序为Cu2+> Cd2+>Pb2+，吸附率分别为100.00%、96.67%和90.60%。该现象说明，制备的生物炭对Cu2+、Cd2+和Pb2+具有良好的吸附效果。生物炭对于Cu2+的良好吸附效果，可能是由于生物炭上所含的羟基等官能团与其发生了离子吸附。生物炭对于Cd2+的良好吸附效果，可能是由于生物炭与Cd2+发生了溶解-沉淀和π电子吸附。生物炭对于Pb2+的良好吸附效果，可能是由于生物炭与Pb2+发生了沉淀-溶解。

制备的生物炭对于Cu2+、Cd2+和Pb2+三种重金属离子具有很好的吸附效果，尤其是对于Cu2+吸附效果最好。本研究结果不仅可为低污染、低成本的生物炭的工厂化应用打下基础，还可以为蟹副产物的综合利用开发提供参考。