生物炭的不同制备条件及吸附性能研究
李恒 陈钰榕 林晓舜
【摘 要】摘要 通过比较生物炭在不同制备条件下对氨氮的吸附性能，寻求最佳的生物炭制备条件。实验结果表明制备生物炭的最佳条件为：以KOH为活化剂，热解温度为550℃，热解时间为2h。在此条件下生物炭达到对氨氮的最大吸附量为11.6mg/g。 【期刊名称】能源与环境 【年(卷),期】2024(000)005 【总页数】2
【关键词】关键词 沼渣 生物炭 吸附 氨氮
基金项目：厦门大学嘉庚学院大学生创新创业训练计划项目。
目前，关于生物炭虽然没有统一的定义，但普遍认为生物炭是由生物质材料在绝氧或者氧气含量很低的条件下，在300～1000℃范围内加热，从而热解或炭化得到的高碳含量的固体产物［1-3］。生物炭的物理及化学性质与其制备的原料和热解处理过程条件密切相关［3］，但总体来说生物炭普遍具有以下性质：生物炭除了具有高含量的C元素外，还含有Ca、K、Mg等元素的碳酸盐和一定量的灰分。此外，生物炭中的C高度芳香化，C原子之间存在非常强的亲合力，导致其热学稳定性、化学稳定性、以及生物惰性比较显著［4］；且生物炭一般具有高比表面积、大孔隙度以及发达微孔。由于上述性质，生物炭在在环境修复，尤其是对水体中污染物离子的吸附去除方面具有很大的潜力［1］。同时，随着我国畜牧业的快速发展，每年将产生巨量农业秸秆污染物。据报道，中国每年会产生7.55亿t农业秸秆［5］。若将其进行厌氧发酵转化为甲烷，不
但可以缓解我国天然气短缺和环境污染问题，同时也能使农业污染物得到妥善处置［6］。然而，目前沼气工程普遍存在副产物沼渣得不到有效利用的问题。而沼渣富含碳源，是制备生物炭的良好材料。因此，将农业秸秆产甲烷系统副产物沼渣制备成有应用价值的生物炭，可以很好地实现沼渣资源化。因此，本文通过比较生物炭在不同制备条件下对氨氮的吸附性能，以寻求最佳的生物炭制备条件。
1 材料与方法
（1）试剂和仪器。试剂：KOH（分析纯）；NaOH（分析纯）；ZnCl2（分析纯）；NH4Cl（分析纯）；H3PO4（分析纯）；K2S2O8（分析纯）以上试剂均来自国药集团化学试剂有限公司。仪器：ABI.4-N 电子天平（Mettler-Toledo Group）；DELTA320 pH 计（梅特勒-托列多仪器有限公司）；SK2-1-12管式炉（上海实验电炉厂）；SHZ-82 A恒温水浴摇床 （国华企业）；PHG-9240电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）。
（2）生物炭制备。生物炭以秸秆半连续厌氧发酵反应器所产生的沼渣为原料制备。制备方法采用绝氧热解法［7］：先将沼渣离心脱水于70℃下烘干，在活化剂中浸渍活化12h，控制沼渣和KOH的质量比为1∶1；再将其在105℃下烘干、研磨，随后移入管式炉中；并通入N2，在一定温度下热解一定时间，控制升温速率为5℃/min。待其冷却至室温后，用足量的去离子水洗涤后于70℃下干燥12h，研磨待用。
（3）吸附实验。氨氮模拟废水由NH4Cl配制，配制所得氨氮浓度为100mg/L。将0.03g生物炭加入装有30mL污水的50mL具塞锥形瓶中，在恒温水浴摇床中振荡4h后，采用纳氏分光光度法［8］测定其上清液中氨氮的
浓度，并根据式（1）计算吸附量q。
式中：q为生物炭对废水中氨氮的吸附量/（mg/g）；C0为废水中初始氨氮浓度/（mg/L）；Ct为反应4h后废水中剩余氨氮浓度/（mg/L）；V为废水体积/L；m为加入的生物炭质量/g。
2 结果与讨论
（1）活化剂的影响。生物炭制备过程中的活化剂不仅能够影响生物炭的比表面积和孔结构，还能影响生物炭表面的基团，从而对生物炭吸附性能产生巨大的影响［9］。因此，活化剂的选择是生物炭制备及化学活化的关键。本文选用目前常用的几种化学活化剂：KOH、NaOH、ZnCl2、H3PO4、K2S2O8进行研究。将秸秆沼渣和以上5种活化剂以1∶1浸渍活化12h后，以5℃/min的升温速率加热到550℃，然后热解2h，所制备的生物炭以及未加活化剂的空白生物炭对氨氮的吸附量如图1所示。可以看出，以KOH为活化剂活化的生物炭对氨氮的吸附量，明显较其他活化剂活化的生物炭及空白生物炭都高，故确定KOH作为秸秆沼渣吸附氨氮的最佳活化剂。而最佳的生物炭活化剂并不是固定不变的，而是与生物炭的用途密切相关。有研究指出，生物炭活化剂采用ZnCl2时对废水中 As 的吸附效果较好［10］。
（2）热解温度和时间的影响。将沼渣在KOH溶液中浸渍活化12h后，以5℃/min的升温速率，在350℃下分别热解1h、2h、3h、4h；在 450℃下分别热解 1h、2h、3h、4h；在 550℃下分别热解 1h、2h、3h、4h； 在 650℃下分别热解 1h、2h、3h、4h；在 750℃下分别热解1h、2h、3h、4h； 所制成的生物炭对氨氮的吸附性能如图2所示。可以看出，随着热解温度的上升，生物炭对氨氮的吸附量呈现先增大后减少的趋势。而随着热解时间的增大，生
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