謝為 卜權(quán)
摘要:選取香醋生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的大量副產(chǎn)物醋糟為原料,通過微波熱解的方法來制備生物炭,結(jié)合表征手段和吸附試驗(yàn),來研究不同反應(yīng)條件(熱解反應(yīng)溫度、微波功率)對所制備醋糟生物炭的理化性質(zhì)及其吸附性能的影響。醋糟微波熱解結(jié)果顯示,在熱解反應(yīng)溫度450 ℃、微波功率900 W的條件下,醋糟生物炭的產(chǎn)率最高,達(dá)到60.37%。表征結(jié)果表明,醋糟生物炭中含有醚類、酚類和醇類物質(zhì),其質(zhì)量損失主要發(fā)生在熱解溫度300~400 ℃的范圍內(nèi)。醋糟生物炭對鉛離子的吸附試驗(yàn)結(jié)果表明,在熱解反應(yīng)溫度350~550 ℃的范圍內(nèi),隨著溫度的升高,醋糟生物炭的吸附效果逐漸降低,且吸附效果降低的速率近似不變,其最高平衡吸附量在350 ℃時達(dá)到137.45 mg/g;在熱解功率500~900 W的范圍內(nèi),隨著熱解功率的升高,醋糟生物炭的吸附效果先降低再升高,其最高平衡吸附量在900 W時達(dá)到141.975 mg/g。
關(guān)鍵詞:微波熱解;醋糟;生物炭;制備工藝;表征;吸附性能
中圖分類號: TQ424.1+9;X712? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A? 文章編號:1002-1302(2020)06-0194-06
我國作為農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值非常大,產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物總量也很大,但其有效利用程度較低[1]。此外,近年來我國的廢水排放量也在顯著增加[2],近3年我國廢水排放量均超過700億t。鉛離子是廢水中的主要重金屬離子之一,廢水的大量排放導(dǎo)致了鉛的大量排放[3]。當(dāng)前鉛被作為工業(yè)原料廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,大部分以廢氣、廢水、廢渣等各種形式排放于環(huán)境中,造成大面積污染[4]。因此,探索農(nóng)業(yè)廢棄物的有效利用和鉛污染問題的解決辦法顯得迫在眉睫。
農(nóng)業(yè)廢棄物中含有大量的生物質(zhì),而生物質(zhì)主要是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成的[5]。生物質(zhì)在缺氧的情況下,經(jīng)過高溫慢熱解可以生成生物炭,生物炭是一類難熔、穩(wěn)定、高度芳香化,并且富含碳素的固態(tài)物質(zhì)[6]。生物炭的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大,有獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì),對重金屬離子有較強(qiáng)的吸附作用[7]。目前常用的生物炭制備方法主要有熱解法、氣化法和液化法3種。而氣化法中通入CO2和水蒸氣、液化法中的高溫和高壓等條件,工藝要求比較高,在實(shí)際生產(chǎn)中難以達(dá)到[8]。因此,熱解法成為一種廣為接受的生物炭制備方法。目前常用的熱解法主要有2種,一種是通過電加熱的傳統(tǒng)熱解方法,另一種是通過微波加熱的熱解方法。傳統(tǒng)加熱方式是通過高溫?zé)嵩吹妮椛浜蛡鲗?dǎo),先使物體的表面加熱,然后再通過傳導(dǎo)和對流在物體內(nèi)部逐漸向內(nèi)加熱;微波加熱方式是在外電場的作用下,由于分子間的相互碰撞,使電能轉(zhuǎn)化為分子的動能,然后再轉(zhuǎn)化為熱能,使物體的溫度升高,是一種由內(nèi)而外的加熱方式[9]。相比傳統(tǒng)加熱,微波加熱主要有能量利用率高、可以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)[10]。
國外對生物炭及其吸附機(jī)理的研究起步比較早,迄今為止,已經(jīng)有相關(guān)專家和學(xué)者作出了關(guān)于生物炭及其吸附機(jī)理的大量報道,在生物炭及其吸附機(jī)理領(lǐng)域取得了一定的成果。1998年,Raveendran等研究了生物炭熱解揮發(fā)量和產(chǎn)率、H/C 和O/C對吸附效果的影響[11];2005年,Lohmann等研究表明,生物炭具有較大孔隙度和比表面積,能吸附有機(jī)污染物[12];2012年,Ahmad等研究了熱解溫度對生物炭的吸附效果的影響[13];2013年,Caporale等研究了生物炭對重金屬吸附的動力學(xué)過程[14]。我國在生物炭及其吸附機(jī)理方面的研究起步較晚,但是近年來國內(nèi)許多高校也對生物炭及其吸附機(jī)理展開了大量的研究。2011年,山東大學(xué)的王寧團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了生物炭具有精致的孔隙結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì),對有機(jī)污染物有很強(qiáng)的吸附能力[15];2014年,山東省高校南四湖濕地生態(tài)與環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的林雪原團(tuán)隊(duì)研究表明,生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),比表面積大,有獨(dú)特的表面化學(xué)性質(zhì),對重金屬離子有很強(qiáng)的吸附作用[7];2016年,山西大學(xué)的王碧鈺團(tuán)隊(duì)研究了醋糟生物炭化前后對水中鉛離子的吸附效果與特性,研究表明醋糟生物炭化前后對鉛離子的吸附均擬合準(zhǔn)二級吸附動力學(xué)方程[16]。根據(jù)生物炭及其吸附機(jī)理的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,可以得知目前對生物炭的吸附機(jī)理并不明確,仍有待深入研究。
江蘇鎮(zhèn)江盛產(chǎn)香醋,但是在生產(chǎn)醋的過程中也產(chǎn)生了大量的副產(chǎn)物——醋糟。關(guān)于醋糟的利用,目前普遍還只是用于填埋、隨意扔棄、喂養(yǎng)動物等,其有效利用率很低。因此,本研究通過微波熱解農(nóng)業(yè)廢棄物來制備醋糟生物炭,并對所制備的醋糟生物炭進(jìn)行吸附效果研究,旨在探索一種新型的吸附劑,不僅可以提高農(nóng)業(yè)廢棄物的有效利用,而且可以有效降低廢水中的重金屬污染。
1 材料與方法
1.1 醋糟生物炭的制備
采用微波熱解的方法制備醋糟生物炭,主要研究熱解反應(yīng)溫度和微波輸入功率對醋糟熱解產(chǎn)物的影響,因此在試驗(yàn)過程中設(shè)置不同的熱解反應(yīng)溫度和微波輸入功率。第1組試驗(yàn)研究反應(yīng)溫度對醋糟生物炭產(chǎn)率及性能的影響,分別設(shè)置反應(yīng)條件:350 ℃、700 W;450 ℃、700 W;550 ℃、700 W。第2組試驗(yàn)研究微波功率對醋糟生物炭產(chǎn)率及性能的影響,分別設(shè)置反應(yīng)條件:450 ℃、500 W;450 ℃、700 W;450 ℃、900 W。微波熱解裝置主要是由 1.0 kW、2.45 GHz的微波腔(南京先歐儀器制造有限公司)、紅外溫度傳感器(IS-900AW,廣州華洪自動化設(shè)備有限公司)、固定床加熱設(shè)備、一個用于存放生物質(zhì)原料的容量為500 mL的石英玻璃燒瓶和系統(tǒng)的冷凝裝置以及液體產(chǎn)物收集裝置組成[17]。在熱解反應(yīng)之前,先通入氮?dú)?,以確保試驗(yàn)是在無氧環(huán)境下進(jìn)行的。氮?dú)饬髁繛?0 mL/min,持續(xù) 15 min。設(shè)定需要的微波功率和熱解反應(yīng)溫度,設(shè)置保溫時間為10 min,分別以上述反應(yīng)條件進(jìn)行微波熱解制備醋糟生物炭的試驗(yàn)。
1.2 醋糟生物炭的表征
為揭示微波熱解條件對所生成的醋糟生物炭性質(zhì)的影響及其對廢水中鉛離子吸附效果的作用機(jī)制,本研究分別采用紅外光譜(FT-IR)、比表面積和熱重法(TG)對所產(chǎn)生的醋糟生物炭進(jìn)行表征分析。
紅外光譜分析是利用Thermo Nicolet Nexus 470型號的DTGS檢測器對醋糟生物炭進(jìn)行分析,其系統(tǒng)波數(shù)范圍為400~5 000 cm-1,光譜分辨率為 0.125 cm-1,分光鏡為KBR(375~7 000 cm-1)。比表面積分析是采用Tristar Ⅱ 3020型號的檢測器進(jìn)行的,使用N2作為吸附劑,浴溫維持在195.85 ℃,通過被吸附的分子數(shù)目乘以分子截面積可以計(jì)算出醋糟生物炭的比表面積。本研究通過對幾種不同條件下的醋糟生物炭使用耐馳F9-203熱重分析儀進(jìn)行熱重法分析,在每個試驗(yàn)中,約5 mg的樣品放在坩堝中加熱,溫度從30 ℃升到600 ℃,升溫速率為 10 ℃/min,氮?dú)饬魉贋?0 mL/min。
1.3 醋糟生物炭對鉛離子的吸附試驗(yàn)
工業(yè)廢水中含有大量的鉛離子,而廢棄電池造成的鉛污染問題也很嚴(yán)重,因此探索一種可以有效吸附鉛離子的材料至關(guān)重要。此處研究上述制備的醋糟生物炭對鉛離子的吸附效果,操作步驟如下:首先配制500 mg/L的醋酸鉛溶液 500 mL,磁力攪拌30 min;用分析天平稱取醋糟生物炭0.2 g,投入100 mL上述500 mg/L的醋酸鉛溶液中,用玻璃棒攪拌;定時用鉛離子濃度試紙測量醋酸鉛溶液中的鉛離子濃度,記錄數(shù)據(jù);重復(fù)試驗(yàn)。
t時刻的吸附量qt是指單位質(zhì)量醋糟生物炭所吸附的鉛離子質(zhì)量,計(jì)算公式如下:
式中:qt表示t時刻的吸附量,mg/g;qe表示平衡吸附量,mg/g;C0表示鉛離子溶液的初始濃度,mg/L;Ct表示t時刻溶液中鉛離子的濃度,mg/L;Ce表示吸附平衡后溶液中鉛離子的濃度,mg/L;V表示鉛離子溶液的體積,L;m表示醋糟生物炭的質(zhì)量,g。
2 結(jié)果與分析
2.1 醋糟生物炭的產(chǎn)率
在微波熱解醋糟過程中會產(chǎn)生生物炭、生物油和生物氣,熱解產(chǎn)物產(chǎn)率分布與反應(yīng)條件有一定的關(guān)系。在熱解反應(yīng)溫度450 ℃、微波功率900 W條件下,生物炭的產(chǎn)率最高,達(dá)到60.37%;其次是熱解反應(yīng)溫度350 ℃、微波功率700 W條件下得到的生物炭含量,占比56.47%;而在熱解反應(yīng)溫度 550 ℃、微波功率700 W條件下得到的生物炭含量最低,僅為45.37%。在熱解反應(yīng)溫度450 ℃、微波功率900 W條件下,生物油和生物氣的產(chǎn)率最低,僅有39.63%;而在熱解反應(yīng)溫度550 ℃、微波功率700 W條件下,生物油和生物氣的產(chǎn)率最高,達(dá)到54.63%。結(jié)果表明,在相同溫度下,隨著微波功率的增加,醋糟熱解所產(chǎn)生的生物炭結(jié)果也呈現(xiàn)增加趨勢;而在相同微波功率條件下,隨著熱解溫度的增加,所得到的生物炭產(chǎn)率呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。
2.2 生物炭的表征
2.2.1 FT-IR分析 醋糟生物炭受熱解反應(yīng)溫度和微波功率影響的FT-IR結(jié)果分別如圖1-a和 1-b所示。從紅外圖譜中可以發(fā)現(xiàn),在750~1 000 cm-1 處出現(xiàn)C—H振動峰,表明醋糟生物炭中含有烷烴類等小分子物質(zhì);在1 000~1 250 cm-1處出現(xiàn)C—O振動峰,說明生物炭中存在醇、酚和醚類物質(zhì);在1 500~1 750 cm-1處出現(xiàn)C=C伸縮振動,說明產(chǎn)物中有芳烴和烯烴物質(zhì);在3 250~3 500 cm-1 有較強(qiáng)的O—H伸縮振動峰,說明熱解生物炭中含有醇和酚類物質(zhì)。通過FT-IR技術(shù)檢測出醋糟生物炭中含有多種不同的官能團(tuán),表明醋糟生物炭是一種主要由醇、酚、醚和烴類組成的復(fù)雜混合物。另外,由圖1-a可知,在微波功率為700 W的條件下,550 ℃時紅外光譜振動強(qiáng)度最弱,350 ℃和450 ℃時紅外光譜振動強(qiáng)度相當(dāng),但是 350 ℃ 時O—H振動峰大小高于450 ℃時的O—H振動峰大小;C—H、C—O和C=C在不同的熱解反應(yīng)溫度下的振動峰大小相近,而對于O—H振動峰,隨著熱解反應(yīng)溫度的升高,其O—H振動峰大小先降低后升高。由圖1-b可知,在熱解反應(yīng)溫度為450 ℃的條件下,500 W和900 W時的振動峰大小相當(dāng),且高于700 W時的振動峰大小;C—H、C—O和C=C在不同的微波功率下的振動峰大小相近,而對于O—H振動峰,500 W和900 W時O—H振動峰大小相當(dāng),高于700 W時的O—H振動峰大小。這表明醋糟生物炭的吸附效果差異可能與O—H振動峰大小和紅外光譜振動強(qiáng)度有關(guān)。
2.2.2 比表面積分析 由圖2-a和圖2-b可知,醋糟生物炭的吸附等溫線屬于Ⅲ型等溫線,在整個壓力范圍內(nèi),曲線內(nèi)凸向下,且曲線沒有拐點(diǎn),說明醋糟生物炭和吸附質(zhì)的相互作用小于吸附質(zhì)之間的相互作用,即醋糟生物炭與吸附質(zhì)之間的相互作用比較弱。同時,在低壓區(qū)的吸附量少,且不出現(xiàn)拐點(diǎn),表明醋糟生物炭和吸附質(zhì)之間的作用力非常弱;而隨著相對壓力的提高,吸附量也增加。
在這種等溫線模型下,不能適用經(jīng)典的BET比表面積測試分析法來計(jì)算醋糟生物炭的比表面積,而應(yīng)采用離散傅里葉變換(DFT)模型來計(jì)算其比表面積。由此得到的醋糟生物炭比表面積如表1所示。在熱解反應(yīng)溫度為550 ℃、微波功率為700 W時,醋糟生物炭的比表面積最大,達(dá)到 14.438 6 m2/g。在恒定微波功率為 700 W、熱解反應(yīng)溫度范圍
350~550 ℃時,隨著熱解反應(yīng)溫度的升高,醋糟生物炭的比表面積不斷增大,但增大的幅度減小。在恒定溫度為450 ℃、微波功率500~900 W時,隨著微波功率的升高,醋糟生物炭的比表面積先增大后減小。
2.2.3 TG分析 對醋糟生物炭進(jìn)行熱重分析,數(shù)據(jù)處理后的TG和微商熱重法(DTG)分析結(jié)果如圖3所示。醋糟生物炭在不同熱解反應(yīng)溫度下的熱重分析結(jié)果顯示,醋糟生物炭最終的固體殘?jiān)慷荚?0%以上,且隨著溫度的升高,其固體殘?jiān)恐饾u下降;在300~400 ℃的溫度范圍內(nèi),醋糟生物炭固體殘?jiān)|(zhì)量下降的速度先增大后減小,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃之后,其質(zhì)量下降的速度趨于平穩(wěn);溫度的升高可以促進(jìn)醋糟生物炭的熱分解向低溫區(qū)間移動,醋糟生物炭的質(zhì)量損失主要發(fā)生在300~400 ℃ 的溫度范圍內(nèi),且隨著溫度的升高,其揮發(fā)物組分含量明顯增加。醋糟生物炭在不同微波功率下的熱重分析結(jié)果顯示,醋糟生物炭最終的固體殘?jiān)慷荚?0%以上,且隨著微波功率的升高,其固體殘?jiān)砍尸F(xiàn)先下降后上升的趨勢;在
300~400 ℃的溫度范圍內(nèi),醋糟生物炭固體殘?jiān)|(zhì)量下降的速度先增大后減小,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃之后,其質(zhì)量下降的速度趨于平穩(wěn);在微波功率為 500 W 時,醋糟生物炭熱解后的固體殘?jiān)?00 W和900 W時明顯要高,且醋糟生物炭的主要質(zhì)量損失發(fā)生在溫度更高的區(qū)域(550~650 ℃),而在 700 W 和900 W時醋糟生物炭發(fā)生主要質(zhì)量損失的溫度明顯要低(300~400 ℃),且隨著微波功率的增加,其揮發(fā)物組分含量明顯增加。
2.3 醋糟生物炭對鉛離子的吸附效果研究
在微波功率為700 W的條件下,不同熱解反應(yīng)溫度下的醋糟生物炭對鉛離子濃度的吸附效果存在差異。結(jié)果表明,在熱解反應(yīng)溫度350~450 ℃的范圍內(nèi),隨著溫度的升高,吸附平衡后的鉛離子濃度逐漸升高,平衡吸附量逐漸降低,且平衡吸附量近似呈線性下降。這表明,隨著熱解反應(yīng)溫度的升高,醋糟生物炭的吸附效果逐漸降低,且吸附效果降低的速率近似不變,其最高平衡吸附量在350 ℃達(dá)到137.45 mg/g。在熱解反應(yīng)溫度為450 ℃的條件下,不同微波功率下的醋糟生物炭對鉛離子濃度的吸附效果如表2所示。結(jié)果表明,在熱解功率500~900 W的范圍內(nèi),隨著熱解功率的升高,吸附平衡后的鉛離子濃度先升高再降低,平衡吸附量先降低再升高,且在熱解功率為500 W和900 W時的平衡吸附量相當(dāng)。這表明,隨著熱解功率的升高,醋糟生物炭的吸附效果先降低再升高,其最高平衡吸附量在900 W時達(dá)到141.975 mg/g。
結(jié)合FT-IR、比表面積和TG分析可知,醋糟生物炭的理化性質(zhì)對其吸附性能有一定的影響。由FT-IR分析可知,不同條件下制備的醋糟生物炭在O—H振動峰大小和紅外光譜振動強(qiáng)度方面有一定的差異;當(dāng)O—H振動峰較大時,其對應(yīng)條件下制備的醋糟生物炭吸附效果也較好;但是在熱解反應(yīng)溫度為550 ℃、微波功率為700 W時則背離了O—H振動峰大小對吸附性能影響的規(guī)律,此時對應(yīng)的醋糟生物炭紅外光譜的振動強(qiáng)度明顯低于其他熱解反應(yīng)溫度下制備的醋糟生物炭的紅外光譜在相近波長范圍內(nèi)的振動強(qiáng)度,表明醋糟生物炭的吸附性能也與醋糟生物炭紅外光譜的振動強(qiáng)度有一定的正相關(guān)關(guān)系。通過TG分析可知,在微波功率一定的條件下,隨著熱解反應(yīng)溫度的升高,醋糟生物炭TG曲線中顯示的最終固體殘?jiān)颗c其對應(yīng)的吸附效果呈正相關(guān);在熱解反應(yīng)溫度一定的條件下,隨著微波功率的升高,醋糟生物炭TG曲線中顯示的最終固體殘?jiān)肯冉档秃笊撸自闵锾康奈叫阅芤搽S微波功率的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。但是比表面積結(jié)果卻沒有表現(xiàn)出與醋糟生物炭吸附性能正相關(guān)的關(guān)系,原因可能有二,其一是醋糟生物炭表面官能團(tuán)等其他性質(zhì)對吸附性能影響更大,其二是因?yàn)橹苽涞拇自闵锾繜o法適用經(jīng)典的BET方法計(jì)算比表面積。
3 結(jié)論
醋糟微波熱解結(jié)果顯示,在熱解反應(yīng)溫度 450 ℃、微波功率900 W的條件下,醋糟生物炭的產(chǎn)率最高,達(dá)到60.37%。表征結(jié)果表明,醋糟生物炭中含有醚類、酚類和醇類物質(zhì),其質(zhì)量損失主要發(fā)生在熱解反應(yīng)溫度300~400 ℃的范圍內(nèi)。醋糟生物炭對鉛離子的吸附試驗(yàn)結(jié)果表明,在熱解反應(yīng)溫度350~550 ℃的范圍內(nèi),隨著溫度的升高,醋糟生物炭的吸附效果逐漸降低,且吸附效果降低的速率近似不變,其最高平衡吸附量在350 ℃時達(dá)到 137.45 mg/g;在熱解功率500~900 W的范圍內(nèi),隨著熱解功率的升高,醋糟生物炭的吸附效果先降低再升高,其最高平衡吸附量在900 W時達(dá)到 141.975 mg/g。
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