柠檬酸改性生物炭表征特性及其对亚甲基蓝吸附性能研究

水葫芦（凤尾莲）是世界上危害性最大的水生植物和最具侵害性的外来入侵物种之一，其因为快速繁殖和无控制的生长而一度成为世界性的问题。将外来入侵物种的生物质转化为生物炭用于水体污染物的吸附是实现水葫芦可持续管理的一种可行策略。亚甲基蓝被认为是一种衡量不同吸附剂对污染物尤其是有机染料吸附能力的模型吸附物。柠檬酸从未被用作表面改性试剂并通过改善表面官能团的数量和种类以提升吸附剂吸附能力。 在本研究中，一种新的有潜力的吸附剂即柠檬酸改性生物炭（CAWB）通过将生物质置于氮气环境内和300℃条件下缓慢热解并经过柠檬酸改性制备而成。利用柠檬酸对相对低温生产的生物炭进行改性修饰。吸附实验表明在吸附过程的前60分钟，亚甲基蓝的吸附效率达到90%，最大吸附能力可达到395 mg/g。通过FTIR、XPS、SEM和BET分析对 CAWB的理化性质进行表征实验，结果表明外来的羧基可以通过生物炭表面羟基与柠檬酸上经脱水后的羧基酐之间的酯化反应而被引入到生物炭表面。批量试验表明亚甲基蓝初始浓度、溶液pH、背景溶液离子强度和温度等因素可以极大影响吸附效果。吸附过程符合伪二级动力学模型和 Langmuir吸附等温线模型。热力学分析表明亚甲基蓝在CAWB上的吸附是一个自发的吸热过程。解吸实验表明CAWB在多次循环再生利用之后仍表现出极佳的再生和吸附效果。本研究旨在探究一种新的高效的成本效益好的吸附剂，其不仅具有高吸附能力且耗能少、成本低，在水体污染物处理方面具有广阔运用前景。为实现这一目标，主要从以下四个方面进行把控：1.选择水葫芦作为生物炭原材料。水葫芦来源丰富、获取成本低，且作为生物炭原材料时可以降低其对生态环境的副作用，实现其资源化利用。2.烧制生物炭时选择相对较低的制备温度。生物炭在制备时温度大多控制在600℃及以上，较高的制备温度需要消耗更多的能源，导致更高的生产成本。本文选择300℃这一生物炭烧制下限温度来生产生物炭，极大地较少了能源消耗和烧制成本，同时300℃制备生物炭含氧官能团丰富，有利于其对亚甲基蓝的吸附。3.使用柠檬酸进行改性修饰。相对低温烧制的生物炭多孔性、比表面积和阳离子交换能力等性质不如高温烧制的生物炭，但留存的表面含氧官能团较多。使用柠檬酸改性可以进一步增加生物炭表面的含氧官能团种类和数目，从而提高其对亚甲基蓝等有机染料的吸附能力。另外，柠檬酸试剂本身成本低，可以大量使用。4.循环使用。吸附完亚甲基蓝的柠檬酸改性水葫芦生物炭回收并通过 HCl解吸后可以多次利用从而极大提高吸附剂利用效率，进一步降低吸附剂综合成本。 不同于多数其他研究，本研究中的柠檬酸改性生物炭的制备和应用不再单纯以追求高吸附能力为唯一目的，而是兼顾吸附剂制备和应用的高效性和经济性，研究重点在于通过吸附剂制备及应用的多环节、全流程控制来降低成本，提高改性生物炭处理有机染料废水的可行性，为柠檬酸改性生物炭的大规模环境应用提供基础性研究。