影响生物质碳材料吸附性能的关键因素

武大鹏 穆伊芳

摘  要：近年来，生物质碳材料无论是天然的还是改性的，都被成功地用于去除水相中的有机染料。文章综述了在吸附有机染料过程中影响生物炭整体吸附效率的关键因素（溶液pH、生物炭用量以及溶液初始浓度等），有助于研究人员更好地开展科学实验。

关键词：生物炭;吸附;有机染料

中图分类号：O647     文献标识码：A

The Key Factors Affecting the Adsorption Performance of Biochar

Wu Dapeng  Mu Yifang

（School of Chemistry and Chemical Engineering，Henan Normal University，Henan，Xinxiang，453007）

Abstract：In recent years，biomass carbon materials，whether natural or modified，have been successfully used to remove organic dyes in the aqueous phase. In this paper，the key factors affecting the overall adsorption efficiency of biochar（solution pH，amount of biochar and initial concentration of solution）were reviewed.It is helpful for researchers to carry out scientific experiments better.

Key words：Biochar;Adsorbent;Organic dye

环境污染是一个严重的问题，它对人类健康、植物和动物等都产生了不利影响。染料因为它的色谱完整、颜色鲜艳、牢度好被应用于纺织和印染等重工业中[1]。通常，一旦染料发挥了它们的作用，它们中的大多数就被丢弃了，没有经过进一步的处理就进入了水体，这样就会产生大量的有害废水。有害废水中的染料分子（尤其是偶氮染料）对生物具有致畸、致癌、致突变作用并通过食物链等方式对人体健康造成危害。染料主要是以芳烃和杂环化合物为母体，并带有显色基团和极性基团，在自然条件下很难降解。如何从废水中去除这些染料成为一项重大的环境挑战[2]。吸附法以其成本低、设计简单、操作方便成为应用最为广泛的处理方法[3]。目前，活性炭、沸石、粘土矿物等高分子材料已被用作去除染料的吸附剂[4]。其中，生物质活性炭具有低成本、多孔、高表面活性、和高离子交换容量的特点，作为一种有效的吸附剂正在吸引着人们极大的研究兴趣[5]。生物炭是生物质在厌氧或缺氧条件下热处理而得到的一种固体碳材料。制备生物质材料的来源广泛且成本较低。例如农业废物（稻草和芦苇等）、城市废弃物（豆渣和香蕉皮）、园林废弃物（树叶和象草等）等都被用于制备生物质碳材料，并应用于水体系中染料的去除[6]。利用这些大量的生物质废弃物作为有效的吸附剂，不仅实现了废弃物资源化处理，也为水和废水处理系统提供了可持续的、成本效益高的解决方案。笔者综述了在吸附阴离子和阳离子染料的过程中影响生物炭整体吸附效率的关键因素，以便更高效地确定生物炭材料的吸附性能。

一、溶液pH对吸附性能的影响

溶液pH在吸附过程中起着非常重要的作用，特别是对染料的吸附。溶液pH的变化，对吸附剂表面结合位点的解离和吸附质的形态、可吸附性均有影响。在高pH溶液中，溶液界面的正电荷减少，生物炭吸附剂表面呈现负电荷，阳离子染料的吸附量增加，阴离子染料的吸附量减少。而在低pH溶液中，溶液界面的正电荷增加，生物炭吸附剂表面呈正电荷，导致阴离子染料吸附增加，阳离子染料吸附减少。Hameed B H等[7]在pH为2-4之间，研究了香蕉茎对亚甲基蓝染料（阳离子染料）的吸附性能，发现在pH=2时亚甲基蓝的吸附量最小，在pH=4时最大。随着pH值的增大，阳离子染料在吸附剂表面的吸附量趋于增大，阴离子染料吸附量趋于减小，这主要是由于染料与吸附剂表面有效电荷的静电相互作用。总的来说，在低pH溶液中，阳离子染料的去除率会降低，而阴离子染料的去除率會增加;相反，在高pH溶液中，阳离子染料的去除率会增加，而阴离子染料的去除率会降低。

二、初始浓度对吸附性能的影响

染料的去除率高度依赖于染料浓度的初始量。在水溶液中，吸附剂染料的初始浓度为克服吸附剂在水溶液和固相之间的所有传质阻力提供了驱动力。染料去除率取决于染料与吸附剂表面有效结合位点。Li X等[8]以废稻草为原料，以高锰酸钾为活化剂制得生物炭材料，并将其用于除去水体中的孔雀石绿染料。当孔雀石绿的初始浓度从10毫克/升上升到150毫克/升 ，该生物炭吸附剂对染料的去除率从86.86%下降至41.58%。这是由于染料浓度较低时，生物炭中有足够的孔来吸收染料分子，有足够的活性位点进行结合。当浓度逐渐提高，孔的吸附能力趋于饱和，吸附位点基本都被染料分子所覆盖，从而丧失吸附能力。

三、生物炭添加量对吸附性能的影响

确定吸附剂添加量对吸附效果的影响，有利于实现资源的合理利用，避免添加量不足对吸附剂的吸附性能产生影响。吸附剂用量对吸附过程的影响可以通过将不同质量的吸附剂加入固定的初始染料浓度中，然后一起震荡至平衡时间来进行确定。Adekola F A等[9]研究了车前草活性生物炭对罗丹明B染料的吸附行为。在生物炭用量在0.1毫克/升至0.3毫克/升之间时，吸附剂用量的增加，导致染料去除率增加，当吸附剂用量进一步增加时，去除率没有继续增加。这是由于吸附剂粒子增多，吸附剂重叠，导致部分吸附位点被覆盖，去除率达到一个平衡状态。Raj K R等[10]在生物材料用量从1.0g到6.0g，研究了生物炭用量对于亚甲基蓝吸附性能的影响。其吸附率随生物材料用量的增加而增加，从1.0g增加到4.0g。然而，从4.0g以后，进一步增加生物材料的用量，吸附趋势没有明显的增加。这可能是由于在现有的操作条件下，吸附剂与吸附剂之间达到了平衡，使得吸附剂不能进一步吸附。研究吸附剂用量的影响，可以了解吸附剂的有效性，从而从经济学的角度识别生物炭材料的吸附能力。

四、反應温度对吸附性能的影响

溶液温度通过影响吸附过程的平衡和速率对吸附过程有重要影响。无论吸附过程是放热过程还是吸热过程，温度都是影响生物炭材料吸附能力的一个重要因素。Acemiolu B等[11]研究了不同温度（20℃～50℃）下KOH改性的花生壳生物炭吸附剂对马唑橙染料的吸附能力。实验结果表明其为吸热反应，随着温度的升高，去除率明显增加，温度为50℃时吸附量最大，20℃时吸附量最小。当吸附过程为放热过程时，去除率随温度升高而减小。随着温度的升高，吸附能力的下降可能是由于温度的升高导致吸附物质与吸附表面活性位点之间的吸附力下降。当吸附过程为吸热过程时，去除率随温度升高而增大。这是由于随着温度的升高而增加，染料分子的流动性增加，吸附活性位点的数量也增加。但当达到一定温度时，温度继续提高生物炭的去除率变化范围不大，此时为最佳反应温度。确定最佳反应温度，有利于节约能源。

五、反应时间对吸附性能的影响

研究反应时间的影响在吸附研究中是十分重要的。Raj K R等[10]以辣木籽粉为原料制得了生物炭并研究了其对于亚甲基蓝和刚果红的吸附能力。实验结果表明，在反应初期，两种染料的去除率随着时间逐渐增加，最后在40分钟达到最优值（平衡点）。一旦达到平衡，亚甲基蓝和刚果红的去除率没有随着时间的改变进一步增加。这是因为反应初期吸附剂的微孔结构和外表面协同吸附并提供丰富的位点。同时，吸附剂界面染料分子的浓度差推动了传质速率。但当反应时间逐渐变长时，吸附位点逐渐饱和，溶液的浓度差也越来越小，吸附过程变得缓慢，最终达到平衡状态。

六、结语

生物炭材料具有良好的孔道结构，较高的比表面积，丰富的多层分孔结构以及多种官能团等特点，有利于吸附有机染料。在复杂的外界环境条件下，多种因素都会对吸附材料的去除效果产生不利影响。了解影响生物炭的吸附性能的主要因素对评价生物炭在吸附研究中的有效性具有重要意义。笔者综述了溶液pH、生物炭添加量等实验条件对生物炭吸附有机染料的影响，通过控制这些实验条件可以获得高的去除率，同时降低操作和生产成本。

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