玉米秸稈與甘蔗渣生物炭的制備及其對(duì)Cr6+離子的吸附性能研究

孟雅靜，王曉雨，溫海蓮，買兆豐，吳啟康，肖朝虎

（1.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅蘭州 730124；2.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730124；3.西北民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，甘肅蘭州 730124）

我國(guó)是玉米產(chǎn)量第一大國(guó)，玉米秸稈包括玉米的莖稈、葉梢和芯，是玉米收獲后的副產(chǎn)物，每年都會(huì)有大量玉米秸稈產(chǎn)出[1-2]。甘蔗渣是甘蔗榨出糖汁的剩余物，是一種用途廣泛、獲取成本低廉的生物質(zhì)纖維原料。而且中國(guó)是世界上甘蔗產(chǎn)量第三大國(guó)，每年的甘蔗渣產(chǎn)量超過2 000×104t[3]。我國(guó)的玉米秸稈除少部分作為草食動(dòng)物的飼料、肥料、基料外，大約有70%作為燃料焚燒或直接翻入土壤中還田[2]。除少部分甘蔗渣作為發(fā)酵原料回收或者作為食草動(dòng)物飼料之外[4]，大部分作為垃圾回收。玉米秸稈和甘蔗渣主要成分為纖維素、中纖維素、木質(zhì)素與其他有機(jī)質(zhì)和無機(jī)鹽離子[5-6]，作為天然的炭源，開發(fā)利用玉米秸稈、甘蔗渣生物炭作為新型活性吸附材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 原料及藥品

玉米秸稈、甘蔗渣、高錳酸鉀，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠提供；硫酸，白銀銀環(huán)化學(xué)試劑廠提供；氨水，天津市百世化工有限公司提供；重鉻酸鉀，天津市福晨化學(xué)試劑廠提供；二苯炭酰二肼，天津市天新精細(xì)化工開發(fā)中心提供。

1.2 儀器

7J-2型電熱磁力攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司產(chǎn)品；JA2103N型電子天平，上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)品；SRJX-4-13型馬弗爐，北京科偉永興儀器有限公司產(chǎn)品；HT-1102C型搖床，上海知楚儀器有限公司產(chǎn)品；T6型新世紀(jì)紫外分光光度計(jì)，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集及預(yù)處理

將玉米秸稈與甘蔗渣風(fēng)干除去水分，粉碎成粉末，裝入密封袋中備用。

1.3.2 生物炭的制備

分別準(zhǔn)確稱量5.00 g的玉米秸稈和甘蔗渣依次放入坩堝中，然后將樣品放入馬弗爐中，以不同炭化溫度（350，400，450，500，550℃） 和不同炭化時(shí)間 （1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h） 制備得到不同條件下的生物炭，備用。

1.3.3 吸附性試驗(yàn)

配制1.0 mg/L重鉻酸鉀溶液，在6個(gè)錐形瓶中分別加入100 mL重鉻酸鉀溶液，然后再分別加入1.00 g不同條件下制備得到的混合生物炭，在30℃，200 r/min的條件下混合振蕩9 h，過濾，根據(jù)國(guó)標(biāo)法（GB 2771—1987） 分別檢測(cè)吸附后的混合溶液，以Cr6+的清除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如（1）：

式中：W——重鉻酸鉀溶液中Cr6+的清除率，%；

m1——吸附試驗(yàn)前樣品中Cr6+的含量，mg；

m2——吸附試驗(yàn)后樣品中Cr6+的含量，mg。

1.3.4 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)1.3.2與1.3.3的試驗(yàn)方法，研究在炭化溫度、炭化時(shí)間與生物炭配比3個(gè)條件下生物炭對(duì)Cr6+的清除率。

單因素試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

1.3.5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步優(yōu)化玉米秸稈與甘蔗渣生物炭最佳制備條件，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以玉米秸稈和甘蔗渣的炭化時(shí)間、炭化溫度、生物炭配比為影響因素，采用L9（34）進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)

1.3.6 繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線

以Cr6+標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度（mg/mL） 為橫坐標(biāo)，吸光度（A）為縱坐標(biāo)，根據(jù)GB 7486—1987繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。紫外分光光度計(jì)檢測(cè)的吸光度與Cr6+含量呈線性關(guān)系，回歸方程為Y=0.745X+0.001 4，回歸系數(shù)R2=0.992 7，線性度較好。

Cr6+質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖1。

圖1 Cr6+質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

單因素試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

2.1.1 炭化時(shí)間對(duì)Cr6+清除率的影響

設(shè)定生物炭比例0.50∶0.50，炭化溫度450℃，研究玉米秸稈和甘蔗渣在不同炭化時(shí)間（1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 h） 下制備得到的生物炭對(duì)Cr6+的清除率，結(jié)果如圖2（a） 所示，在1.0 h和1.5 h下的生物炭對(duì)Cr6+的清除率相近，在2.0 h時(shí)Cr6+的清除率達(dá)到最大，而炭化時(shí)間大于2.0 h后，清除率開始下降，可能是由于炭化時(shí)間過長(zhǎng)，破壞了生物炭的結(jié)構(gòu)，因此采用炭化時(shí)間為2.0 h進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 炭化溫度對(duì)Cr6+清除率的影響

圖2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)定生物炭比例0.50∶0.50，炭化時(shí)間2.0 h，研究玉米秸稈和甘蔗渣在不同炭化溫度（350，400，450，500，550℃） 下制備得到的生物炭對(duì)Cr6+的清除率，結(jié)果如圖2（b） 所示，隨著炭化時(shí)間的增長(zhǎng)，生物炭對(duì)Cr6+的清除率先下降后上升，在500℃制備的生物炭達(dá)到最大，而炭化溫度大于500℃時(shí)，清除率開始下降，可能是由于溫度太高破壞了生物炭的結(jié)構(gòu)，因此采用炭化溫度為500℃進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.3 生物炭配比對(duì)Cr6+清除率的影響

設(shè)定炭化時(shí)間2 h，炭化溫度500℃，研究玉米秸稈與甘蔗渣不同配比（0∶1.00，0.25∶0.75，0.50∶0.50，0.75∶0.25，1.00∶0） 條件下的生物炭對(duì)Cr6+的清除率，結(jié)果如圖2（c） 所示，當(dāng)玉米秸稈與甘蔗渣配比為0.50∶0.50時(shí)，生物炭對(duì)Cr6+的清除率最高，而配比大于0.50∶0.50時(shí)清除率開始下降，因此生物炭配比為0.50∶0.50時(shí)混合生物炭對(duì)Cr6+的吸附性能最佳。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以炭化時(shí)間、炭化溫度、生物炭配比為影響因素，采用L9（34）進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。

正交試驗(yàn)結(jié)果見表3，正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析見表4。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

經(jīng)過極差分析和方差分析發(fā)現(xiàn)，炭化時(shí)間（A）對(duì)Cr6+的吸附影響顯著，而炭化溫度（B）、生物炭配比（C）對(duì)Cr6+的吸附性能影響不顯著，各因素強(qiáng)弱順序?yàn)锳＞B＞C，最佳的吸附組合條件為A1B1C2，即炭化時(shí)間2.0 h，炭化溫度450℃，生物炭配比0.50∶0.50時(shí)混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率最高。

3 結(jié)論

以單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)為基礎(chǔ)，在不同炭化時(shí)間、炭化溫度與生物炭配比下研究混合生物炭對(duì)Cr6+的吸附性能。單因素試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1.0 h和1.5 h下的混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率相近，在2.0 h時(shí)對(duì)Cr6+的清除率達(dá)到最大，時(shí)間大于2.0 h時(shí)清除率開始下降；隨著炭化時(shí)間的延長(zhǎng)，生物炭對(duì)Cr6+的清除率先下降后上升，在500℃制備的生物炭清除率最佳，炭化溫度高于500℃時(shí)，清除率開始緩慢下降；生物炭對(duì)Cr6+的清除率在生物炭配比為0.50∶0.50時(shí)達(dá)到最高，配比大于0.50∶0.50時(shí)，清除率開始下降。正交試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，炭化時(shí)間對(duì)Cr6+的吸附性能影響顯著，而炭化溫度、生物炭配比對(duì)Cr6+的吸附性能不顯著，各因素影響強(qiáng)弱順序?yàn)锳＞B＞C，生物炭的最佳制備條件為A1B1C2，即炭化時(shí)間1.5 h，炭化溫度450℃，生物炭配比0.50∶0.50為最佳制備條件，此條件下制備的混合生物炭對(duì)Cr6+的清除率可達(dá)88.74%。

[1]左旭，王紅彥，王亞靜，等.中國(guó)玉米秸稈資源量估算及其自然適宜性評(píng)價(jià) [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2015，36（6）：5-10.

[2]史海濤，楊軍香，田雨佳，等.玉米秸稈營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的開發(fā)利用——未充分開發(fā)利用的廉價(jià)資源[J].中國(guó)奶牛，2012（17）：3-11.

[3]周金梅，李思明，覃春芳，等.有機(jī)溶劑法純化蔗渣木質(zhì)素 [J].應(yīng)用化工，2017，46（8）：1 447-1 450.

[4]羅啟榮.甘蔗葉與甘蔗渣用于飼料的開發(fā)利用 [J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2017，37（12）：243.

[5]張強(qiáng)，秦濤，張紅艷，等.玉米秸稈的綜合開發(fā)利用 [J].玉米科學(xué)，2006，14（2）：168-169.

[6]吳鴻欣，曹洪國(guó)，韓增德，等.中國(guó)玉米秸稈綜合利用技術(shù)介紹與探討 [J].農(nóng)業(yè)工程，2011，1（3）：9-12.◇