负载镁香蕉茎秆基生物质炭的制备与表征蒋艳红

蒋艳红，叶成慧，林慕雨丹，等.负载镁香蕉茎秆基生物质炭的制备与表征[J].环境科学与技术,2018,41(10):56-61.JiangYanhong,YeChenghui,LinMuyudan,etal.Preparationandcharacterizationofthemagnesium-loadedbiocharfrombananastem[J].EnvironmentalScience&Technology,2018,41(10):56-61.负载镁香蕉茎秆基生物质炭的制备与表征蒋艳红1,2,3，叶成慧2,4，林慕雨丹2,4，吴雨晴2,4，朱宗强1,3，朱义年1,3*（1.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西桂林541004；2.广西师范大学环境与资源学院，广西桂林541004；3.广西岩溶地区水污染控制与用水安全保障协同创新中心，广西桂林541004；4.岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室，广西桂林541004）摘要：利用废弃的香蕉茎秆制备了一种负载镁的生物质炭吸附剂。以磷为目标污染物，采用Box-Behnken响应曲面法研究了MgCl2浓度、碳化温度和碳化时间对磷吸附量的单独作用及交互影响作用，并建立了数学模型。结果表明，所建的数学模型对实验数据拟合度高，自变量对响应值的影响次序为：MgCl2浓度炭化温度炭化时间，MgCl2浓度与炭化温度交互影响显著；最佳工艺条件为MgCl2浓度1.15mol/L，炭化温度430℃，炭化时间4h。模型预测最佳吸附量qe为38.67mg/g，验证实验结果qe为39.27mg/g，预测值与测定值偏差率为1.55%。在吸附磷后的负载镁生物质炭的X射线衍射谱图上，出现了磷酸氢镁（MgHPO4·3H2O）的特征衍射峰。关键词：负载镁；生物质炭；香蕉茎秆；磷吸附；响应曲面法中图分类号：X705文献标志码：Adoi：10.19672/j.cnki.1003-6504.2018.10.008文章编号：1003-6504(2018)10-0056-06PreparationandCharacterizationoftheMagnesium-loadedBiocharfromBananaStemJIANGYanhong1,2,3,YEChenghui2,4,LINMuyudan2,4,WUYuqing2,4,ZHUZongqiang1,3,ZHUYinian1,3*(1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;2.SchoolofEnvironmentandResource,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China;3.GuangxiCollaborativeInnovationCenterforWaterPollutionControlandWaterSafetyinKarstArea,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China;4.KeyLaboratoryofKarstEcologyandEnvironmentChangeofGuangxiDepartmentofEducation,Guilin541004,China)Abstract:Amagnesium-loadedbiocharadsorbentwaspreparedfromwastedbananastemfortheremovalofphosphorusfromaqueoussolution.TheBox-Behnkenresponsesurfacemethodwasappliedtooptimizeitspreparationcondition,includ⁃ingMgCl2concentration,carbonizationtemperatureandcarbonizationtime.TheresultsdemonstratedthatthemathematicalmodelcouldfittheexperimentaldataverywellandthesignificanceoftheinfluencefactorsfollowedtheorderasMgCl2con⁃centrationcarbonizationtemperaturecarbonizationtime.TheinteractiveinfluencebetweentheMgCl2concentrationandthecarbonizationtemperaturewassignificant.UndertheoptimalpreparationconditionoftheMgCl2concentrationof1.15mol/L,thecarbonizationtemperatureof430℃andthecarbonizationtimeof4h,theabsorptioncapacityofphosphoruswasexperimentallydeterminedtobeqe=39.27mg/g,whichagreedwellwiththepredictedqeof38.67mg/gwith1.55%devia⁃tion.Thecharacteristicdiffractionpeaksofmagnesiumphosphatehydrate(MgHPO4·3H2O)weredetectedintheXRDpat⁃ternofthemagnesium-loadedbiocharafterphosphorusadsorption.Keywords:Mg-loading;biochar;bananastem;phosphorusadsorption;responsesurfacemethod《环境科学与技术》编辑部：（网址）（电话）027-87643502（电子信箱）[e-mail]收稿日期：2018-02-01；修回2018-05-16基金项目：国家自然科学基金项目（51638006）；广西高校科学技术项目（KY2015YB033）；岩溶生态与环境变化研究广西高校重点实验室基金项目（YRHJ15Z009）作者简介：蒋艳红（1980-），女，讲师，博士研究生，主要从事水污染控制和资源化研究，（电子信箱）[e-mail]；*通讯作者，男，教授，博士生导师，（电子信箱）[e-mail]。EnvironmentalScience&TechnologyVol.41No.10Oct.2018第41卷第10期2018年10月第10期磷矿在农业、医药和食品工业中均有重要用途。随着现代农业的快速发展，化肥被广泛使用，大量氮和磷污染物进入环境，造成水体富营养化，同时致使磷矿日趋短缺。磷元素的富集回收以及氮污染的净化处理一直是世界的研究热点[1-3]。氮污染净化处理方法多集中于化学处理、生物处理法以及吸附处理法；磷富集与回收利用有流化床造粒法、沉淀回收法和结晶法等30多种方法[4,5]，其中结晶法因其药剂投加量少，回收效果显著而备受关注；但结晶法存在颗粒细微、易流失和难回收等应用瓶颈问题[6-8]，需要利用沸石、膨润土和生物质炭等的结构为支撑，应用磷酸铵镁结晶等方法制备大颗粒的负镁材料，方能便于反应器实际操作，解决其回收磷资源过程遇到的上述应用瓶颈问题[9-11]。利用废弃香蕉茎秆等生物质体为原材料烧制的生物质炭具有天然分级多孔碳结构，具选择吸附能力强、离子交换量大等特点，且其进入土壤并不会带来新污染，还可以有效提高土壤有机质，改善土壤结构，起到保水保肥的作用[12-14]，是一种结晶法制备吸附材料的良好结构支撑体。生物质炭是生物质在缺氧条件下热解（700℃）所得的碳材料[15]，生物质炭表面常带负电荷[16]，可对Cu+、Pb2+和NH4+等水中阳离子进行较好的吸附净化，但磷元素在水体中常以H2PO4-、HPO42-和PO43-等形式存在，两者因静电效应而不利于对水中磷的富集和回收。许多研究者利用包括酸及碱溶液[17,18]、铁氧化物[19,20]等改性炭的表面以提高其吸附阴离子的能力，但仍难以解决对水中阴阳离子进行同时去除的难题。本研究以废弃的香蕉茎秆为结构原料制备负载镁离子生物质炭，并以吸附水中磷的效果为响应指标，应用Box-Behnken响应曲面法，对载镁改性过程中的炭化温度、炭化时间和MgCl2浓度等因素进行制备优化研究，结果可为相应材料制备优化、水中氮磷同时去除和磷资源回收利用提供科学参考。1材料和方法1.1实验材料原料：实验所用的香蕉茎杆来自桂林市某商贸市场。榨除水分、在80℃条件下烘干，原材料含C34.69%、N0.86%、H4.81%和S0.07%。模拟废水：用NH4Cl（分析纯）和KH2PO4（分析纯）充分溶解于超纯水中，配置氨氮浓度为300mg/L和总磷浓度为200mg/L的模拟废水。1.2主要仪器4-10马弗炉（上海东星建材试验设备有限公司）；SHZ-82A控温控速震荡器（金坛市医疗仪器厂）；XFS-280高压灭菌蒸汽锅（浙江新丰区医疗器械有限公司）；722可见分光光度计（上海佑科仪器仪表有限公司）；BR-Z20X射线衍射仪（德国布鲁克公司）；场发射环境扫描电子显微镜（德国Elementar公司）。1.3实验方法1.3.1新材料的制备将香蕉果实串中的茎秆榨除内部水分后，在60~80℃下烘干，破碎后过60目筛。将香蕉茎秆粉与MgCl2溶液按比例（比例为1g∶15mL）加入设计浓度（由中心复合法设计确定）的MgCl2溶液。混合物在振荡频率为150r/min，温度为30℃条件下振荡1h，密封浸渍23h，过滤，105℃下烘干，置于马弗炉中，在设计温度（由中心复合法设计确定）中缺氧条件炭化一定时间（由中心复合法设计确定），炉冷至室温。将获得的产物磨碎，过100目筛，即制得系列负载镁香蕉茎秆基生物质炭材料。1.3.2响应曲面优化实验选取对负载镁香蕉茎秆基生物质炭制备有较大影响的因素：炭化温度、MgCl2浓度、炭化时间为主要考察因素，以-1、0、1分别代表自变量的低、中、高水平，磷的吸附量为（Y）实验考察指标（即响应值）开展Box-Behnken响应面优化实验，具体设计因素编码及水平见表1。因素炭化温度X1/℃MgCl2浓度X2/(mol·L-1)炭化时间X3/h水平-13000.5204001.0315001.54表1设计实验因素水平Table1Designofthelevelofexperimentalfactors1.3.3吸附实验以Box-Behnken响应面优化实验制得系列负载镁香蕉茎秆基生物质炭为吸附剂，准确称量0.25g吸附剂置于250mL的带盖锥形瓶中，加入50mL模拟废水，在30℃，250r/min条件下恒温振荡3h，慢速滤纸过滤后获得吸附后溶液，测定吸附前后溶液的总磷浓度。设置重复3次，吸附量计算如下：qe=（C0-Ce）V/m（1）式（1）中，qe为吸附量，mg/g；C0为初始溶液总磷浓度，mg/L；Ce为吸附后溶液总磷浓度，mg/L；V为溶液体积，L；m为吸附剂用量，g。1.4分析及表征方法采用钼酸铵分光光度法（GB11893-89）测定水中的总磷浓度；采用纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009）测定水中氨氮的浓度；使用场发射环境扫描电子显微蒋艳红，等负载镁香蕉茎秆基生物质炭的制备与表征57第41卷镜观测生物炭的微观形貌，测试条件：额定扫描电压为20kV，放大倍数为3000倍；使用X射线衍射仪进行物相测定，测试条件：电压40kV，管电流30mA，2θ测量范围为10~80°，扫描速度8°/min，使用MDIjade6.0软件分析XRD测试数据。2结果与讨论2.