改性廢紡織基生物炭的性能及其吸附特性研究

謝偉雪 何碧紅

摘要 [目的]研究改性廢紡織基生物炭的性能及其吸附特性。[方法]通過對(duì)紡織廢物改性，對(duì)制備出的生物炭進(jìn)行產(chǎn)率、元素組成、SEM譜圖、紅外譜圖、pH等的研究，確定出改性廢紡織基生物炭的性能和吸附特性。[結(jié)果]炭化溫度為400 ℃時(shí)，改性生物炭含碳量增加了7.2%，產(chǎn)率增加了15.1%，pH呈弱堿性。改性樣得到的生物炭中含有—OH、—CH3、—CH2、CO、CC基團(tuán)，表面結(jié)構(gòu)有大量的微孔和中孔，碘和亞甲基藍(lán)吸附值都很高，有較好的吸附能力和脫色能力，Cr（Ⅵ）初始濃度為80、150 mg/L時(shí)，平衡吸附量分別為7.3、27.6 mg/g，對(duì)廢水中Cr（Ⅵ）有較好的吸附效果。[結(jié)論]改性廢紡織基生物炭含碳量高，吸附效果好，具有化學(xué)穩(wěn)定性，可應(yīng)用于水體中重金屬污染物的吸附。

關(guān)鍵詞 改性廢紡織物;生物炭;性能;吸附特性

中圖分類號(hào) X 791? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）06-0050-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.06.011

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Properties and Adsorption Characteristics of Modified Waste Textile Based Biochar

XIE Wei-xue，HE Bi-hong

（Lanzhou Resources and Environment Voc-Tech University，Lanzhou，Gansu 730021）

Abstract [Objective]To study on the properties and adsorption characteristics of modified waste textile based biochar.[Method]The properties and adsorption properties of the modified waste textile based biochar were determined by analyzing the yield， element composition， SEM， infrared and pH of biochar. [Result] When the carbonization temperature was 400 ℃， the carbon content of the modified biochar increases by 7.2%， the yield increases by 15.1%， and the pH was weak alkaline. The biochar obtained from the modified sample contains groups of -OH， CH3， CH2， C=O and C=C， and there were a lot of micropores and mesopores on the surface structure. The adsorption value of iodine and methylene blue was very high， and the adsorption capacity and decolorization ability were better. When the initial concentration of Cr （VI） was 80 and 150 mg/L， the equilibrium adsorption capacity was 7.3 and 27.6 mg/g，respectively， which had a good adsorption effect on Cr （VI） in wastewater. [Conclusion]The modified waste textile based biochar has high carbon content， good adsorption effect and chemical stability， and can be used for the adsorption of heavy metal pollutants in water.

Key words Modified waste textile;Biochar;Performance;Adsorption characteristics

基金項(xiàng)目 甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點(diǎn)資助課題（GS〔2020〕GHBZ200）;2021年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2021A-247）;2020年甘肅省高等學(xué)校創(chuàng)新基金項(xiàng)目（2020A-221）。

作者簡(jiǎn)介 謝偉雪（1982—），女，甘肅甘谷人，教授，碩士，從事固體廢物處理與資源化研究。

收稿日期 2021-05-12

隨著人們生活水平的提高，對(duì)紡織品的使用更新速度越來越快，每年都有大量的舊紡織品產(chǎn)生，紡織廢物主要是無法再利用的布條、棉麻邊角料、車間清掃紡織品和灰塵混合物。在廢舊紡織品的循環(huán)利用和處理上，目前還沒有成熟的回收體系和處置規(guī)范，配套的技術(shù)手段和措施還比較薄弱，還處于初級(jí)探索階段，廢舊紡織品的售出量和回收再利用率仍然很低。目前對(duì)紡織廢物處理的方式主要是填埋和焚燒，紡織廢物不易降解，掩埋后對(duì)環(huán)境造成極大危害;在焚燒過程中會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境，這2種處理方式都會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。

如何對(duì)紡織廢物開展再回收利用，緩解緊張的土地資源，以節(jié)約資源和能源，減少二次污染是值得研究的課題。將紡織廢物制備成高附加值的生物炭[2]，是有益于環(huán)境和資源綜合利用的，是符合產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)保、低碳綠色可持續(xù)發(fā)展的。因此，筆者通過對(duì)生活垃圾廢紡織品進(jìn)行改性，對(duì)比改性樣和原樣制備出的生物炭產(chǎn)率、化學(xué)組成、SEM譜圖、紅外譜圖、pH等的分析，表征生物炭吸附特性和研究生物炭對(duì)含重金屬Cr（Ⅵ）廢水吸附動(dòng)態(tài)曲線，從而確定出改性廢紡織基生物炭的吸附能力和吸附效果，為廢紡織品的資源化利用和吸附材料的制備提供一種新方向。

1 材料與方法

1.1 試材

試驗(yàn)所用的紡織廢物來自蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能垃圾分類回收工作室，吸附性能指示劑為碘溶液和亞甲基藍(lán)溶液，所用化學(xué)試劑都為分析純。

1.2 儀器設(shè)備

粉碎機(jī)、電熱鼓風(fēng)干燥箱、真空管式爐、離心機(jī)、空氮一體機(jī)、雷磁酸度計(jì)、元素分析儀、智能傅立葉紅外光譜儀、SEM電鏡等。

1.3 改性紡織廢物生物炭的制備

1.3.1 紡織廢物的改性。

將紡織廢物浸泡洗凈后剪碎，浸泡在含有硝酸鹽和磷酸鹽混合液的處理劑后，放置水浴中加熱至80 ℃，邊加熱邊攪拌，恒溫浸漬30 min后，擠出水分熱風(fēng)干燥，粉碎得到改性的廢紡織改性樣，放入干燥器中備用[2]。

1.3.2 生物炭的制備。

將廢紡織原樣和改性樣在惰性氣體氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下以5 ℃/min的升溫速率升溫至200～450 ℃，然后炭化0.5～2.0 h，等冷卻以后產(chǎn)品稱質(zhì)量，得到生物炭，計(jì)算產(chǎn)率、進(jìn)行性能分析和測(cè)定碘、亞甲基藍(lán)和對(duì)含Cr（Ⅵ）廢水進(jìn)行吸附[3-4]。

1.4 生物炭的性能

生物炭元素含量[5]通過Vario EL Ⅲ元素分析儀測(cè)定;表面形貌[6]通過Phenom Pro SEM掃描電鏡觀察;表面結(jié)構(gòu)特征[7]通過Licolet 5700智能傅立葉紅外光譜儀檢測(cè);pH通過雷磁酸度計(jì)測(cè)定。

1.5 生物炭的吸附特性

1.5.1

碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值。碘吸附值根據(jù)GB/T 12496.8—1999《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法碘吸附值的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定，亞甲基藍(lán)吸附值根據(jù)GB/T 12496.10—1999《木質(zhì)活性炭試驗(yàn)方法亞甲基藍(lán)吸附值的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定[8-9]。

1.5.2

對(duì)含Cr（Ⅵ）廢水的吸附值。在250 mL 藍(lán)蓋瓶中放入0.1 g 改性廢紡織生物炭樣品，加入濃度為80、150 mg/L 100 mL的Cr（Ⅵ）溶液，分別于5、10、15、25、50、100、150、200、300、400、500 min時(shí)取樣測(cè)定Cr（Ⅵ）的濃度，確定Cr（Ⅵ）的吸附動(dòng)態(tài)曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 改性紡織廢物制備生物炭

稱取一定量的廢紡織原樣和改性樣，分別在炭化溫度為350和400 ℃、炭化時(shí)間為1.5 h、升溫速率為5 ℃/min、氮?dú)饬髁繛?00 mL/min條件下，制備生物炭，結(jié)果分析如表1所示。

由表1可知，在相同條件下，廢紡織原樣和改性樣制備的生物炭含碳量和產(chǎn)率有明顯不同，用含氮鹽和含磷鹽改性的廢紡織物生物炭含碳量和產(chǎn)率均高于原樣。改性樣與原樣生物炭相比，在炭化溫度350 ℃時(shí)，含碳量增加了7.2百分點(diǎn)，產(chǎn)率增加了7.4百分點(diǎn);在炭化溫度400 ℃時(shí)，含碳量增加了7.2百分點(diǎn)，產(chǎn)率增加了15.1百分點(diǎn)。隨著炭化溫度的升高，生物炭產(chǎn)率都有不同程度的降低，但是改性樣降低較小。這是因?yàn)閷?duì)廢紡織物改性的過程中加入了含有磷酸鹽和硝酸鹽的混合液進(jìn)行處理，磷酸鹽含有磷元素，硝酸鹽含有氮元素，二者均可作為無機(jī)阻燃劑，能夠降低炭化的溫度，提高生物炭的產(chǎn)率。氮元素的存在能夠促進(jìn)紡織品中的纖維在熱解時(shí)的脫磷酰和酸催化脫水反應(yīng)，磷元素的存在能夠促進(jìn)紡織品在受熱時(shí)碳的生成，提高熱解階段產(chǎn)生的殘?jiān)猩锾康暮俊?/p>

2.2 生物炭元素含量

生物炭是含碳量為60%以上的生物質(zhì)，還含有少量的氫、氮、硫等，通過對(duì)廢紡織改性樣在炭化溫度分別為350、400 ℃生物炭樣品進(jìn)行元素含量分析。從表2可以看出，廢紡織物生物炭的元素組成與炭化溫度有關(guān)。隨著炭化溫度的升高，生物炭中碳含量顯著增加，碳含量增加了3.4百分點(diǎn)，氫、氮和硫元素含量下降。這是因?yàn)楦男詷又泻辛缀偷M分，在熱解炭化過程中能夠增加表層的含碳量，促進(jìn)成炭而形成炭化層。這說明廢紡織物改性后提高了生物炭的碳含量，而且炭化溫度越高，生物炭含碳量越多，炭化越完全，品質(zhì)越好。

2.3 生物炭表面形貌

通過對(duì)改性樣炭化溫度分別為350、400 ℃下制備的生物炭進(jìn)行表面形貌分析，得到SEM電鏡掃描圖（圖1）。從圖1可以看出，廢紡織改性樣表面結(jié)構(gòu)粗糙且蓬松，出現(xiàn)了孔隙，這有利于熱解炭化;經(jīng)熱解炭化后，生物炭表面結(jié)構(gòu)平整致密，厚度增加，有大量密集的微孔出現(xiàn);炭化溫度越高，結(jié)構(gòu)越平整，厚度越厚，微孔越多。這是因?yàn)闊峤馓炕^程中，由于碳源的存在，使炭層逐漸加厚，致密穩(wěn)定;由于有氣體的存在，氣體從改性樣的內(nèi)部釋放而出，使得到的生物炭表面炭層進(jìn)一步的膨脹，形成大量密集的微孔。在相同炭化溫度條件下，改性樣生物炭表面結(jié)構(gòu)有大量的微孔，有較好的吸附能力。

2.4 生物炭表面結(jié)構(gòu)特征

對(duì)炭化時(shí)間為2 h，炭化溫度分別為350、400 ℃時(shí)，改性樣得到的生物炭進(jìn)行FTIR測(cè)定，結(jié)果如圖2。

從圖2可以看出，相同炭化時(shí)間，炭化溫度分別為350、400 ℃下得到的生物炭表面官能團(tuán)稍有差異，其中在3 306、2 927、1 691、1 548、1 425、1 156和1 031 cm-1 處的吸收峰有較明顯的變化。在3 306和2 927 cm-1左右均有吸收峰，炭化溫度在400 ℃時(shí)吸收峰都增強(qiáng)，譜帶都較寬，說明生物炭中存在酚羥基或醇羥基和—CH2或—CH3基團(tuán)，隨著炭化溫度的升高，—OH、—CH2和—CH3基團(tuán)都增強(qiáng)，有可能不存在不飽和的C—H鍵。生物炭在1 691和1 548 cm-1左右吸收峰增強(qiáng)且呈現(xiàn)雙峰，說明生物炭中有芳環(huán)存在，炭化溫度對(duì)CO和CC基團(tuán)有明顯的影響。在1 425、1 156和1 031? cm-1處吸收峰也較明顯，說明生物炭中存在芳香有機(jī)物，且隨著溫度的升高，芳香類有機(jī)物基團(tuán)增強(qiáng)。

2.5 生物炭pH

對(duì)改性樣在炭化溫度300、350、400和450 ℃下得到的生物炭進(jìn)行pH分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其pH分別為9.10、9.51、9.73和9.91，可見改性樣得到的生物炭的pH呈堿性，炭化溫度在從300 ℃升高到450 ℃得到的生物炭的pH均呈弱堿性。隨著炭化溫度的逐漸升高，生物炭的pH也逐漸增加。生物炭呈弱堿性是因?yàn)樯锾勘砻婧袎A性基團(tuán)和灰分成分。堿性基團(tuán)是在高溫?zé)峤膺^程中形成的，存在于生物炭表面，主要為無機(jī)碳酸鹽和有機(jī)官能團(tuán)CO和—O—;灰分中含有鈉、鉀、鈣、鎂的氧化物或碳酸鹽等礦質(zhì)物質(zhì)，溶于水后呈堿性。生物炭在酸性土壤中具有聚碳作用，增加土壤鹽基飽和度[10]，增強(qiáng)土壤保肥能力，改善植物生長(zhǎng)環(huán)境。

2.6 生物炭吸附特性

2.6.1 生物炭吸附表征。

通常用碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值來表征生物炭的吸附性能，對(duì)炭化溫度為300、350、400、450 ℃改性樣得到的生物炭進(jìn)行碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值測(cè)定。從表3可以看出，改性樣得到的生物炭碘吸附值很高，碘吸附值隨炭化溫度的升高先增大后減小，在炭化溫度350 ℃時(shí)，碘吸附值達(dá)到最大值（2 493 mg/g）;亞甲基藍(lán)吸附值也很高，亞甲基藍(lán)吸附值隨炭化溫度的升高先增大后減小，在炭化溫度400 ℃時(shí)，亞甲基藍(lán)吸附值達(dá)到最大值（214 mg/g）。碘吸附值表示生物炭結(jié)構(gòu)中微孔的發(fā)達(dá)程度，是生物炭對(duì)小分子污染物吸附能力的表現(xiàn);亞甲基藍(lán)吸附值表示生物炭結(jié)構(gòu)中中孔的發(fā)達(dá)程度，是衡量生物炭的脫色能力[10-11]。因此，生物炭的結(jié)構(gòu)含有發(fā)達(dá)的微孔和中孔，有很強(qiáng)的吸附和脫色能力。

2.6.2 生物炭對(duì)廢水中Cr（Ⅵ）的吸附動(dòng)態(tài)曲線。

在吸附溫度為25 ℃、不改變pH下，生物炭對(duì)初始濃度80、150 mg/L的Cr（Ⅵ）進(jìn)行吸附，吸附動(dòng)態(tài)曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，Cr（Ⅵ）的初始濃度越大，吸附量越大，生物炭的吸附動(dòng)態(tài)曲線相近。吸附初期0～25 min吸附速率很快，吸附量增大較快，表明吸附初期生物炭表面吸附點(diǎn)位較多;吸附中期25～400 min吸附速率減慢，吸附量增大緩慢，表明生物炭表面吸附點(diǎn)位減少;吸附后期400～500 min吸附量增加不多，吸附達(dá)到平衡，生物炭表面吸附點(diǎn)位飽和[11]。初始濃度為80、150 mg/L時(shí)，平衡吸附量分別為7.3、27.6 mg/g，生物炭對(duì)廢水中Cr（Ⅵ）有較好的吸附效果。

3 結(jié)論

（1）在相同條件下原樣和改性樣制備的生物炭產(chǎn)率有明顯的不同，紡織廢物經(jīng)過含氮鹽和含磷鹽混合液改性后，生物炭含碳量和產(chǎn)率明顯提高;改性廢紡織基生物炭隨著炭化溫度的升高，生物炭中碳含量顯著增加，氫、氮和硫元素含量下降，炭化越完全，品質(zhì)越好。

（2）改性廢紡織基生物炭表面粗糙且蓬松，出現(xiàn)了孔隙，有利于熱解炭化，生物炭表面結(jié)構(gòu)有大量的微孔，有較好的吸附能力。生物炭的結(jié)構(gòu)官能團(tuán)與炭化溫度有關(guān)，隨著炭化溫的升高，生物炭中—OH、—CH3、—CH2、CO、CC基團(tuán)都有增強(qiáng)。

（3）生物炭的pH呈堿性，隨著炭化溫度的升高，生物炭的pH相應(yīng)增加。生物炭能夠中和土壤中的質(zhì)子，改良酸性土壤，提高土壤肥效。

（4）生物炭碘吸附值和亞甲基藍(lán)吸附值都很高，生物炭

結(jié)構(gòu)含有發(fā)達(dá)的微孔和中孔，有很強(qiáng)的吸附和脫色能力，對(duì)含重金屬Cr（Ⅵ）的廢水有較好的吸附效果。生物炭是一種含碳的吸附材料，可應(yīng)用于廢水中重金屬的吸附和增強(qiáng)土壤保肥能力。

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