专栏名称: Carbon Research

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Carbon Research | 利用马缨丹叶和茎提取的生物炭去除亚甲基蓝染料的研究

Carbon Research · 公众号 · · 2025-01-17 11:59

正文

摘要

含染料的废水排放到水体中已经引起了人们的关注，因为其对环境有着潜在的毒性危害。使用不同种类的吸附剂可以有效去除水溶液中的染料。本研究的主要目的是确定在600℃下由马缨丹制备的生物炭去除水溶液中亚甲基蓝染料的潜力与接触时间、pH（3 ～ 12）、吸附剂剂量（100～400 mg/L）和初始染料浓度（5 ～ 20 mg/ L ）的关系。利用马缨丹叶（ BC _L 600 ）和茎（ BC _S 600 ）制备的生物炭进行了元素分析、红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜和zeta电位分析。结果表明，染料溶液的pH值对其在生物炭表面的吸附有很大影响。伪二级动力学模型能够解释亚甲基蓝染料与 BC _L 600 和 BC _S 600 的相互作用，这意味着吸附过程具有多步骤特征。热力学分析也表明，吸附过程是自发的并且是放热的。这意味着吸附机制与静电作用、氢键作用、n-π和π-π相互作用有关，即马缨丹生物炭可能是处理染料工业污染废水的一种有效生物吸附剂。

图文摘要

亮点

从批量实验中获得的平衡数据与Freundlich吸附等温线方程吻合。
马缨丹热解产生的生物炭对亚甲基蓝染料的吸附动力学可以用伪二级动力学模型描述。
染料吸附的可能机制包括静电作用、氢键作用、n-π和π-π相互作用。
马缨丹生物质可以作为一种吸附剂有效地从水溶液中去除亚甲基蓝染料。

要点图例

图1 未负载的 BC _L 600 （A）、未负载的 BC _S 600 （B）、负载的 BC _L 600 （ C）和负载的 BC _S 600 （ D）的傅里叶变换红外光谱

图2 BC _L 600 （A、B、E）和 BC _S 600 （C、D、F）不同分辨率的扫描电子显微镜图像

图3 初始染料浓度和接触时间对 BC _L 600 （A）和 BC _S 600 （B）吸附亚甲基蓝染料的影响

图4 初始溶液pH值对 BC _L 600 （A）和 BC _S 600 （B）吸附亚甲基蓝染料的影响

图5 吸附剂用量对 BC _L 600 （A）和 BC _S 600 （B）吸附亚甲基蓝染料的影响

图6 BC _L 600 （A）和 BC _S 600 （B）吸附亚甲基蓝染料的动力学模型拟合

图7 亚甲基蓝染料染料在 BC _L 600 （A）和 BC _S 600 （B）上的等温线研究（pH=8）以及Freundlich和Langmuir吸附等温线拟合

图8 亚甲基蓝与生物炭表面之间不同类型的相互作用

结论

通过马缨丹生物质制备的生物炭的吸附潜力，发现 BC _L 600 和 BC _S 600 上的染料吸附高度依赖于溶液pH值。据观察，随着pH值从3增加到12，染料分子在 BC _L 600 和 BC _S 600 上的吸附量显著增加。与 BC _S 600 相比， BC _L 600 吸附的染料量较高，这可能是由于其表面存在–O–H和C–O官能团。研究还发现，使用 BC _L 600处理的染料在大约100 min内达到了平衡，而使用 BC _S 600 处理的染料则在大约60 min内达到了平衡。 BC _L 600 和 BC _S 600 的吸附速率都遵循伪二级动力学模型，这意味着染料分子在生物炭表面的吸附是一个多步骤过程，包括外部吸附和染料分子向吸附剂内部的扩散。平衡数据与这两种吸附剂的 Langmuir 吸附等温线方程非常符合，证明了 BC _L 600 和 BC _S 600 具有多层吸附能力。 ΔG ⁰ 和 ΔH ⁰ 的负值表明吸附过程是自发的并且是放热的。 ΔS ⁰ 的正值则表示由生物炭和染料分子组成的系统具有较高的随机性。

因此，本研究比Amuda等人（2014年）之前的研究更进一步，因为既研究了这种入侵物种的生物质，又确认了由其茎部制成的生物炭的染料吸附性能。尽管 BC _L 600 达到平衡的时间约为100 min，而 BC _S 600 在大约60 min内达到平衡，但 BC _L 600的染料吸附能力更强。这意味着入侵物种的整个生物质可以被有效利用。生物炭的表面可以根据周围环境中存在的污染物的类型进一步改变。因此，可以预期，从马缨丹生物质中获得的生物炭颗粒可用作水和废水处理的潜在吸附剂。