不同热解温度下菹草生物炭吸附Cr(VI)的性能和机理

近日，农业农村部环境保护科研监测所在菹草生物炭制备，及其在铬污染水体的修复应用方面取得了新进展，首次使用废弃菹草生物质为原料制备生物炭，探究不同热解温度对Cr(VI)去除的影响，深入分析不同热解温度菹草生物炭去除Cr(VI)的机制，该研究为铬污染水体修复提供了一种新型廉价高效的修复材料。

Cr是一种有毒重金属，主要以三价[Cr(III)]和六价[Cr(VI)]形式存在，Cr(VI)比Cr(III)具有更高的毒性、溶解度和流动性。Cr(VI)可在食物链中积累并在接触人体时导致癌症。菹草是多年生草本植物，容易在湖泊中爆发生长，阻塞河道，压缩其他水生植物的生长空间，但是其可以积累一些重金属离子，并对Cr(VI)有一定的吸附作用。因此，我们根据其吸附特性，在不同热解温度下将其制成生物炭(PCB)，以修复Cr(VI)污染，同时解决菹草大规模爆发对环境的危害。本研究的主要目的是：(1)探索热解温度对PCB结构的影响；(2)阐明热解温度对生物炭吸附Cr(VI)的影响；(3)探索PCB中Cr(VI)的去除机理；(4)为菹草的资源化利用奠定科学依据和经济基础。

图1 (a) 吸附动力学拟合结果；(b) 吸附等温线拟合结果；(c) Cl-对PCB吸附Cr(VI)的影响；(d) SO42-对PCB吸附Cr(VI)的影响。

研究表明，PCB是去除Cr(VI)的有效吸附剂。去除过程具有很强的pH依赖性，在pH为2.0时PCB300对Cr(VI)的吸附效果最好，在pH为4.0时对PCB500和PCB700的吸附量达到最大值。准二级动力学模型是PCB去除Cr(VI)的最佳模型并且吸附过程更满足于Freundlich模型，说明生物炭的非均相表面上发生了多层化学吸附。从图中可以看出，共存离子对PCB去除Cr(VI)的影响不大，说明PCB在共存离子存在下选择性去除Cr(VI)，证实了PCB在复杂的实际废水中具有潜在应用。PCB300的高吸附能力可能归因于低温生物炭表面含有更丰富的官能团。PCB对Cr(VI)去除机制涉及多个过程，包括静电吸引、表面络合和将Cr(VI)还原为Cr(III)。大多数生物炭的制备成本约为 0.24-0.61美元/千克，PCB的制备成本在0.24美元/千克左右。以上结果说明对于去除水环境中的Cr(VI) PCB是一种新型、有效且廉价的吸附剂。

图2 PCB去除Cr(VI)的机制分析

该成果题为“The performance and mechanism of Cr(VI) adsorption by biochar derived from Potamogeton crispus at different pyrolysis temperatures”发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》。农业农村部环境保护科研监测所硕士研究生徐冬莹为论文第一作者，孙约兵研究员和朱新萍教授为论文共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金（31971525）和国家重点研发计划（2018YFD0800300）的资助。

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https://doi.org/10.1016/j.jaap.2022.105662