不同热解温度下制备的磁性生物炭对罗丹明B的吸附性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220169

摘要/Abstract

摘要：

以水稻秸秆为原材料，采用一步磁化碳化法，于550、600、650和700 ℃下进行限氧裂解，制备出4种高效易分离的磁性生物炭（MBC-550、MBC-600、MBC-650和MBC-700）。利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面孔径分布分析仪（BET）和傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）对其理化性质进行了表征，探究了不同温度对其结构性质和吸附性能的影响。而后研究了MBC对罗丹明B（RhB）的吸附动力学、吸附等温线，并考察了pH值和金属阳离子（Na⁺、Fe³⁺、Mg²⁺和Cu²⁺）对吸附性能的影响。结果表明，随着热解温度升高，MBC的比表面积和孔容积增大，MBC的吸附性能受温度影响显著。在30 ℃时，4种不同热解温度制备的MBC对RhB的平衡吸附量分别为35.696、36.962、53.118和54.810 mg/g。4种MBC对RhB的吸附均符合伪二级动力学方程，表明MBC对RhB的吸附受多种因素影响；采用Langmuir与Freundlich方程对等温吸附结果进行拟合，吸附等温线符合Freundlich模型，表明MBC对RhB吸附以多分子层物理吸附为主。由于静电吸附和离子交换的作用，MBC对RhB的吸附容量随pH值的升高先增大后减小，在pH值为6时吸附容量达到最大；加入Na⁺、Fe³⁺、Cu²⁺和Mg²⁺金属阳离子后，4种MBC对RhB的吸附量均低于平衡吸附量：Na⁺、Fe³⁺离子浓度的升高对部分MBC吸附RhB的容量呈一定的上升趋势，而Cu²⁺、Mg²⁺离子浓度的升高对MBC吸附RhB影响较小。

关键词: 水稻秸秆, 热解温度, 磁性生物炭, 罗丹明B, 金属阳离子

Abstract:

Using rice straw as the raw material， an one-step magnetization carbonization method is used for oxygen-limited pyrolysis at 550， 600， 650 and 700 ℃ to prepare high-efficient and easy-separable magnetic biochar （MBC）. The physicochemical properties of MBC are characterized using X-ray diffraction （XRD）， scanning electron microscopy （SEM）， Emmett and Teller analysis （BET） and Fourier transform infrared spectrometer （FT-IR）， and the effects of different temperatures on their structural properties and adsorption performances are investigated. The effects of metal cations （Na⁺， Fe³⁺， Mg²⁺， Cu²⁺） and pH on the adsorption performance are also investigated. The results show that the specific surface area and pore volume of MBC increase with the increase of pyrolysis temperature， and the adsorption ability or capacity of MBC is significantly affected by temperature. The equilibrium adsorption capacities of the four different pyrolysis temperatures are 35.696， 36.962， 53.118 and 54.810 mg/g for Rhodamine B（RhB）， respectively. The adsorption of RhB by the four kinds of MBC was in accordance with the pseudo second order kinetic equation， indicating that the adsorption of RhB by MBC was affected by many factors. Langmuir and Freundlich equations were used to fit the isotherm adsorption results， and the adsorption isotherms were in line with Freundlich model， indicating that the adsorption of RhB by MBC was dominated by the physical adsorption of multi molecular layers. The adsorption capacity of MBC on RhB increases and then decreases with the increase of pH due to electrostatic adsorption and ion exchange， and reaches the maximum capacity at pH 6. After the addition of Na⁺， Fe³⁺， Cu²⁺， Mg²⁺ metal cations， the adsorption capacities of the four kinds of MBC for RhB are all lower than the equilibrium adsorption capacities. The increase of Na⁺ and Fe³⁺ ion concentrations has a certain upward trend on the adsorption capacity of some MBC for RhB. However， the increase of Cu²⁺ and Mg²⁺ ion concentrations has little effect on the adsorption of RhB by MBC.

Key words: Rice straw, Pyrolysis temperature, Magnetic biochar, Rhodamine B, Metal cation

中图分类号:

O647.3

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图/表 12

图1 不同热解温度制备的MBC X射线衍射图

Fig.1 X-ray diffraction patterns of MBC prepared at different pyrolysis temperatures

图2 不同热解温度制备的MBC扫描电子显微镜图

Fig.2 SEM images of MBC prepared at different pyrolysis temperatures

图3 不同热解温度制备的MBC孔径分布图

Fig.3 Pore size distribution of MBC prepared at different pyrolysis temperatures

表1 不同热解温度制备的MBC孔隙状况的变化

Table 1 Variation of pores of MBC prepared at different pyrolysis temperatures

Pyrolysis temperature/℃	BET surface area/（m²·g^-1）	Total pore volume/（cm3·g^-1）	Micropore volume/（cm3·g^-1）	Micropore area/（m²·g^-1）
550	314.779	0.123	0.121	260.450
600	331.710	0.137	0.119	257.683
650	418.436	0.172	0.151	327.129
700	427.418	0.211	0.120	261.633

图4 不同热解温度制备的MBC红外光谱图

Fig.4 FT-IR spectra of MBC prepared at different pyrolysis temperatures

图5 不同热解温度MBC对RhB的吸附动力学拟合（A）； MBC-550的磁分离试验（B）

Fig.5 Kinetic fitting of RhB adsorption by MBC at different pyrolysis temperatures （A）； Magnetic separation test of MBC-550 （B）

表2 MBC吸附RhB的动力学参数

Table 2 Kinetics parameters for adsorption of RhB by MBC

MBC	q_e（exp）/（mg·g^-1）	Pseudo first-order kinetic model			Pseudo second-order kinetic model
MBC	q_e（exp）/（mg·g^-1）	q_e（cal）/（mg·g^-1）	K₁/min^-1	R²	q_e（cal）/（mg·g^-1）	K₂/min^-1	R²
MBC-550	35.696	34.604	2.096	0.978	34.967	0.167	0.990
MBC-600	36.962	36.455	1.955	0.981	36.838	0.146	0.993
MBC-650	53.118	51.039	1.110	0.967	51.971	0.042	0.990
MBC-700	54.810	52.827	0.972	0.984	53.755	0.036	0.995

表3 MBC 吸附 RhB 的 Langmuir 和 Freundlich 吸附等温线参数

Table 3 Langmuir and Freundlich adsorption isotherm constants for adsorption of RhB by MBC

MBC	T/℃	Freundlich isotherm model			Langmuir isotherm model
MBC	T/℃	K_F	N	R²	q_max/（mg·g^-1）	K_L	R²
MBC-550	20	2.224	2.496	0.999	20.594	0.026	0.962
	30	2.272	1.995	0.993	36.558	0.015	0.973
	40	2.962	3.322	0.979	14.637	0.052	0.954
MBC-600	20	2.704	2.645	0.995	21.566	0.030	0.935
	30	3.684	2.402	0.993	40.203	0.026	0.976
	40	2.956	3.067	0.981	16.961	0.043	0.871
MBC-650	20	11.283	3.313	0.990	49.978	0.090	0.929
	30	13.760	3.547	0.991	54.975	0.116	0.899
	40	14.795	3.906	0.971	49.343	0.180	0.935
MBC-700	20	12.554	3.318	0.991	53.779	0.102	0.893
	30	16.993	3.496	0.990	68.877	0.108	0.937
	40	15.660	3.509	0.980	59.61	0.146	0.940

图6 不同热解温度MBC对RhB的吸附等温线拟合（A）；外界温度对MBC吸附的影响（B）

Fig.6 Fitting of the adsorption isotherms of RhB by MBC at different pyrolysis temperatures （A）； The influence of external temperature on the adsorption of MBC （B）

表4 MBC吸附RhB的热力学参数

Table 4 Thermodynamic parameters of RhB adsorption onto MBC

MBC	ΔG/（kJ·mol^-1）			ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（kJ·mol^-1）
MBC	20 ℃	30 ℃	40 ℃	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（kJ·mol^-1）
MBC-550	-3.807	-4.175	-5.950	-38.345	24.545
MBC-600	-4.793	-5.492	-5.737	-59.762	43.872
MBC-650	-8.821	-9.794	-10.557	-23.631	4.717
MBC-700	-9.085	-10.289	-10.426	-12.266	6.742

图7 溶液初始pH值对RhB吸附的影响（A）； MBC等电点的测定（B）

Fig.7 The influence of initial solution pH value on RhB adsorption （A）； MBC isoelectric point determination （B）

图8 不同离子的离子强度对RhB吸附效率的影响

Fig.8 Effect of ionic strength of different ions on the adsorption efficiencies of RhB

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