2023, Vol. 50文章信息
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基金项目
- 广东省烟草育种与综合利用工程研究中心/广东省农作物遗传改良重点实验室联合开放课题（202003）；广东省农业科学院低碳农业与碳中和研究中心项目（202146）；广东省农业科学院十四五学科团队建设项目（202120TD）；国家自然科学基金（41571313）
作者简介
- 何德飞（1996—），男，硕士，研究方向为环境功能材料研发与污染控制技术，E-mail：isdefei@163.com.
通讯作者
- 刘忠珍（1977—），女，博士，研究员，研究方向为土壤化学和污染控制，E-mail：lzzgz2001@163.com.
文章历史
- 收稿日期：2022-11-16
2. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部南方植物营养与肥料重点实验室/广东省农业资源循环利用与耕地保育重点实验室，广东 广州 510640
2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Guangdong Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer in South Region, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Guangdong Key Laboratory of Nutrient Cycling and Farmland Conservation, Guangzhou 510640, China
【研究意义】热解农业残余物转化为生物炭是实现循环经济、减轻农业生产环境污染的重要途径[1-2]。烟草为我国一些地区极其重要的经济作物[3]，将每年产生的大量烟草秸秆进行持续性的绿色安全利用具有重要意义。在农业与环境应用中炭化秸秆已经成为国内外研究的热点，炭化秸秆制备的生物炭可作为吸附剂和净化材料，还田可作为土壤调理剂和固碳材料等多种用途。目前将烟草秸秆进行炭化处理作为重金属吸附剂、净化材料等方面的相关报道较少，而生物炭吸附材料的应用范围及效果在很大程度上受其理化性质和结构特征的影响[4]。因此，了解热解温度影响烟秆生物炭对重金属吸附特性的差异，是合理应用烟秆生物炭的基础。
【前人研究进展】生物炭的性状受原材料、热解温度、加热速率等多种因素的影响，其中热解温度尤为重要。热解是生物质向生物炭热化学转化过程的关键阶段，而热解温度对生物质成分的热解有直接影响，生物质原料中纤维素、半纤维素、官能团在200~450 ℃逐渐降解并形成固体炭渣。当热解温度上升至450 ℃以上，残炭会发生进一步的化学和物理变化，进而影响生物炭的特性[5]。周波等[6]报道，制革污泥生物炭的表面形貌和矿物含量受热解温度的影响，< 500 ℃孔隙数量较少，而高于500 ℃矿物含量减少。朱俊波等[7]发现，≤ 500 ℃制备的花生壳生物炭表面官能团数量较多，而比表面积小，700 ℃时正好相反，因此对Cd2+的吸附能力大幅提高。Deng等[8]报道，300~700 ℃制备的稻草和猪粪生物炭吸附Cd2+的能力存在差异，并指出低温生物炭吸附Cd2+的主要机制是阳离子交换（占43.3%~50.9%），而高温生物炭吸附Cd2+的主要机制是矿物沉淀作用（约占72%）。Liu等[9]研究发现，随着麦草生物炭热解温度的升高，其对Cd2+吸附的主要机制造成影响，金属C-π配位的重要性被沉淀所掩盖。Jia等[10]研究表明，稻壳和棉秆在300~700 ℃热解形成生物炭的官能团、比表面积、芳香性等性质的差异是影响生物炭吸附Cd2+的重要因素。显然，在很大程度上对生物炭的影响取决于热解温度，也就是说不同热解温度制备的生物炭影响其特性，进而影响对Cd2+的吸附能力和吸附机制。
【本研究切入点】我国是烟草生产大国，每年产生烟草秸秆（简称烟秆）290万t以上[11]，尽管开展了制备烟草乙醇、生物质燃料、提取生物质烟碱和烟草重要活性成分等研究[12-13]，但目前仍有85% 烟秆填埋，少部分焚烧和丢弃，造成资源严重浪费和环境污染[14]。【拟解决的关键问题】基于此，本研究以烟秆为原材料在不同热解温度下制备生物炭，并分析其特性；再通过模拟试验，研究其吸附Cd2+特征，以期为拓展烟秆资源化利用新途径提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料烟秆于2021年9月取自广东南雄，用自来水洗涤去除附着的尘土，60 ℃干燥后粉碎，过2 mm筛，备用。
1.2 试验方法1.2.1 生物炭制备 称取数份（每份50 g）烟秆粉末置于聚四氟乙烯坩埚中，加盖后放入马弗炉中，以10 ℃/min升温至250 ℃，停留30 min；继续以3 ℃/min分别加热至300、400、500、600、700 ℃，并保持3 h；冷却至室温后，收集坩埚中的残留物，分别记为T300、T400、T500、T600和T700。将坩埚残留物（烟秆生物炭）研磨过0.25 mm筛，测定C、H、O、N元素含量，pH值、比表面积以及表面官能团，于2022年3月进行吸附试验。
1.2.2 成分测定 烟秆生物炭的C、H、N含量用元素分析仪测定（vario EL Ⅲ，Elementar），计算O含量：
O含量（%）=100 － C含量－ H含量－ N含量－灰分
灰分含量采用烧失法测定，pH值利用pH计测定（固液比为1 ∶ 20）；采用比表面及孔径分析仪（BK100A，北京精微高博科技技术有限公司）测定生物炭的比表面积、孔径和孔体积；利用高分辨率冷场发射扫描电镜（S-3400N，Hitachi，日本）观察生物炭颗粒形貌；利用傅里叶变换红外（FTIR）光谱（Tensor 27，Bruker，德国）测定吸附前后官能团。
1.2.3 吸附动力学试验 称取约0.01 g生物炭9份，分别置于30 mL离心管中，加入65 mg/L Cd2+溶液10 mL，以pH 5.5（±0.1）的0.01 mol/L硝酸钠为电解质，分别振荡0、5、10、30、60、120、300、720、1 440、2 880 min，取出，0.45 μm滤膜过滤，用原子吸收分光光度计测定滤液的Cd2+浓度。根据每个时间点吸附前后的浓度变化计算吸附量，每个时间节点2次重复。
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式中，Qe为吸附达到平衡时烟秆生物炭对Cd2+的吸附量（mg/kg），C0为Cd2+的初始浓度（mg/L），Ce为吸附平衡时溶液中Cd2+的平衡浓度（mg/L），V为吸附试验中平衡溶液的体积(mL)，m为烟秆生物炭质量（g）。
吸附动力学方程分别用准一级动力学方程、准二级动力学方程和颗粒内扩散方程对吸附试验结果进行拟合：
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式中，Qt和Qe分别为t时刻生物炭对Cd2+的吸附量和平衡吸附量（mg/g），k1、k2、kp分别为准一级动力学方程、准二级动力学方程和颗粒内扩散方程的速率常数（1/h、g/mg·h和mg/g·h0.5），C为常数，t为吸附时间（h）。
1.2.4 等温吸附试验 称取约0.01 g烟秆生物炭8份，分别置于30 mL离心管中，分别加入0、5、10、20、40、80、120、160 mg/L Cd2+溶液10 mL，以pH 5.5~6.0的0.01 mol/L硝酸钠为电解质，200 r/min、25(±0.5) ℃避光振荡24 h，静置20 min后，上清液用0.45 μm滤膜过滤，用原子吸收分光光度计测定滤液的Cd2+浓度，根据吸附前后的Cd2+浓度变化计算吸附量，每个浓度2次重复。
等温吸附模型分别采用Freundlich模型、Langmuir模型和Langmuir-Freundlich模型对吸附试验结果进行拟合：
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式中，Kf和N为Freundlich方程的两个常数，Kf为吸附强度，N表示等温吸附方程的非线性程度，N决定吸附常数Kf的单位；Qm为生物炭吸附趋于饱和的最大吸附量（mg/g），KL为与吸附能量有关的常数（L/mg）；IL为判断生物炭吸附能力的分离因子，IL＞1不利于吸附，0＜IL＜1有利于吸附，IL=1为线性吸附，IL=0，不可逆吸附[15]。
1.2.5 吸附热力学试验 试验方法同1.2.4等温吸附试验，振荡温度分别为15、25、35、45（±0.5）℃，每个温度2次重复。计算吉布斯自由能(ΔG)、焓变(ΔS0)、熵变(ΔH0) 和分配系数(ΔKL)：
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式中，T为绝对温度，R为气体常数，KL为与吸附能有关的常数。将lnKL与1/T作图，通过方程的斜率和截距计算热力学参数[16]。
试验数据分别使用Excel、Origin 2021、SPSS Statistics 25进行处理分析，所有结果均为3次测定的平均值，用烘干质量表示。用单因素方差分析误差，用Duncan比较差异显著性（P < 0.05）。
2 结果与分析 2.1 热解温度对烟秆生物炭性状的影响由表 1可知，烟秆生物炭的pH值随着热解温度的升高而显著增加，且不同温度制备的生物炭均为碱性，这可能与生物炭中矿物质、碳酸根和无机碳含量有关。热解过程实际上是生物质主要成分纤维素、半纤维素及木质素的分解过程，其中的C、H、O及N等结构元素含量发生变化，一些元素损失，而另一些元素比例相对增加。表 1结果显示，随着热解温度的升高，生物炭H、O、N含量降低，C和S的相对含量则提高；生物炭结构元素含量的变化，导致其原子比例变化，烟秆生物炭的H/C、O/C和(O+N)/C的原子比，随着热解温度的升高而逐渐降低，300~400 ℃时变化较大，400 ℃后变化较小。
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结合SEM考察生物炭的结构特性，从SEM图像（图 1）可以看出，T300大孔表面附着碎屑；T400表面比较光滑；T500大孔表面出现排列整齐的小孔，出现新的粗糙孔隙；T600大孔整齐排列，表面光滑且有许多小孔；T700表面光滑，小孔增加。表 1结果显示，300~700 ℃制备的烟秆生物炭随着热解温度提高，比表面积和孔容变小，而孔径则反之，随着热解温度的提高，孔径变大。
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| A: T300; B: T400; C: T500; D: T600; E: T700 图 1 不同热解温度制备的烟秆生物炭SEM图像 Fig. 1 SEM images of the tobacco stem biochars prepred at different pyrolysis temperatures |
从不同温度热解烟秆生物炭和吸附Cd2+后的FTIR图谱（图 2）可以看出，波数分别为2 980、1 720、1 490、1 340、1 175、920、850、815 cm-1处存在较强的红外吸收峰，说明烟秆生物炭表面含亚甲基（-CH2）、羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（-CO-）和醛基（-CHO）等丰富的表面官能团结构；烟秆生物炭红外吸收峰的数量和强度随着热解温度的增加逐渐减少或消失，其中700 ℃条件下减少极为明显（1 340、1 175、920 cm-1）；T300、T500吸附前后的红外特征峰(1 175 cm-1) 消失、特征峰850 cm-1向815 cm-1发生偏移。
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| 图 2 不同热解温度制备的烟秆生物炭及T300、T500对Cd2+吸附后的FTIR光谱 Fig. 2 FTIR spectra of Cd2+ adsorption by tobacco stem biochars prepared at different pyrolysis temperatures and T300 and T500 |
2.2 不同热解温度制备的烟秆生物炭对Cd2+的动力学吸附特征及差异
由图 3、表 2可知，T300、T400在2 h后吸附速率减缓，T500、T600、T700在2 h内随着吸附时间的增加，吸附量呈线性增加；5~12 h吸附进入缓慢阶段，吸附速率降低；24 h达到吸附平衡（图 3A）。5种烟秆生物炭用准一级动力学方程和准二级动力学方程拟合，准二级动力学方程的拟合度（R2=0.998~0.999）远高于准一级动力学方程的拟合度（R2=0.115~0.391）（图 3），表明二级动力学方程可较好地拟合5种烟秆生物炭对Cd2+的吸附过程。5种烟秆生物炭对Cd2+吸附吸附动力学数据通过颗粒内扩散方程拟合（图 3C），其吸附过程均可分为两个阶段：第一阶段斜率大（kp1为0.344~1.03），反应速度快，吸附量快速增大；第二阶段斜率变小（kp2为0.053~0.148），反应慢直至吸附量达到平衡。其中，T700对Cd2+的最大吸附量达到62.23 mg/g，去除率达到99.01%；T500、T600对Cd2+的去除率相当，为84.34%~86.63%；而热解温度在300~400 ℃的烟秆生物炭对Cd2+的去除率仅为40.57%~47.70%（图 2D）。
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| A：准一级动力学曲线；B：准二级动力学曲线；C：颗粒内扩散曲线；D：去除率 A: Quasi-first kinetic curves; B: Quasi-second kinetic curves; C: Intra-particle diffusion curves; D: Removal rates 图 3 不同热解温度下制备的烟秆生物炭对Cd2+的吸附效果 Fig. 3 Absorption effects of tobacco stem biochars on Cd2+ prepared at different pyrolysis temperatures |
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2.3 不同热解温度制备的烟秆生物炭对Cd2+等温吸附特征
不同热解温度制备的5种烟秆生物炭Cd2+等温吸附存在一些差异，但也有共同之处。由图 4可知，当初始Cd2+浓度为0~10 mg/L时，Cd2+吸附量直线增加；20~40 mg/L时缓慢增加，并达到平衡状态。5种烟秆生物炭Cd2+等温吸附均可用Langmuir、Freundlich和Langmuir-Freundlich模型进行拟合，但Langmuir和Langmuir-Freundlich的拟合度比较好，拟合度R2为0.94~1.00，KL为0.17~0.46 mg/L（表 3），热热解温度越高，所制备的生物炭KL值越大，说明对Cd2+的亲和力越强。烟秆生物炭对Cd2+最大吸附量（Qm）为54.40~106.16 mg/g，以高温生物炭Qm较高，如T700达到最高值。同时，表 3中分离因子数值为0＜IL＜1，说明该吸附为有效吸附。
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| A: Freundlich曲线; B: Langmuir曲线; C: Langmuir-Freundlich曲线; D: T300在不同温度下的Langmuir曲线 A: Freundlich fitting curve; B: Langmiur fitting curve; C: Langmiur-Freundlich fitting curve; D: Langmiur fitting curve of T300 at different temperatures 图 4 不同热解温度制备的烟秆生物炭Cd2+等温吸附曲线 Fig. 4 Curves for Cd2+ isothermal adsorption by the tobacco stem biochars prepared at different pyrolysis temperatures |
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2.4 不同热解温度制备的烟秆生物炭Cd2+吸附热力学特征
由表 4可知，不同热解温度制备的烟秆生物炭的∆G0值均为负数，表明烟秆生物炭对Cd2+的吸附过程是自发的。一般认为，∆G0＜-40 kJ/mol主要是化学吸附，-20 kJ/mol＜∆G0＜0主要是物理吸附[14, 17]。本研究的∆G0值为-20~ -40 kJ/mol，说明烟秆生物炭对Cd2+的吸附存在化学和物理吸附两种机制。
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所有处理的∆S0值均为正数（表 4），表明Cd2+被吸附到生物炭的内部结构中，固体与溶液界面的自由度增加，且吸附过程不可逆，有利于吸附的稳定性。∆H0表示吸附过程中存在一个能垒，正值与负值分别表征吸附过程是吸热反应还是放热反应，表 4显示，300 ℃制备的烟秆生物炭（T300）∆H0为正值，说明对Cd2+的吸附是一个吸热过程；由图 4D可知，T300对Cd2+的吸附量随着吸附温度升高而提高，说明T300对Cd2+的吸附特性为温度越高越有利于吸附[18]。
3 讨论 3.1 热解温度对烟秆生物炭基础性状的影响烟秆生物炭的pH随着热解温度的升高呈现上升趋势，在300~400 ℃范围内pH的波动较为明显，可能是由于该阶段纤维素的大量热解，从而导致烟秆生物炭的碳酸根、无机碳和矿物质含量相对增加所致[19]。这与叶协锋等[20]的研究结果一致，烟秆在热解温度为100~300 ℃时由于纤维素尚未开始大量热解，矿物质含量较少，生物炭的碳酸根、无机碳含量极低，热解温度从400 ℃开始碳酸根和无机碳含量快速升高。另外，随着热解温度的升高生物炭的酸性官能团减少，而碱性官能团增加，对生物炭pH值提高也有一定的贡献[21]。良好的pH值和木质纤维素在500 ℃以上进一步热解形成的生物炭中会浓缩更多的碳酸盐矿物和晶体[22]，进而可能会增强生物炭吸附重金属的能力，提高其修复重金属污染环境的作用和效果。H/C、O/C和(O+N)/C原子比随着热解温度的升高而减少，烟秆生物炭结构元素含量的变化表明高温下的炭化程度较高，芳香结构更加复杂而稳定，但极性和含氧官能团减少，亲水性降低，对亲水性物质的吸附能力也减弱，其他研究者也获得相似的研究结果[23-24]。
烟草是维管植物，烟秆具有海绵状结构，在热解过程中，纤维素、半纤维素及木质素等有机物质逐渐转化为小分子物质而挥发，形成多孔结构，而孔隙数量和大小取决于热解过程[11]。其他不少研究者也获得类似的结果，过高的热解温度彻底破坏生物质海绵状多孔结构，导致孔隙小且数量少；合适的热解温度不仅有助于保留生物质海绵状多孔结构，而且产生较多大小各异的孔隙，表面积和孔容均较高[25]。显然，不同的原材料，由于其组成成分及解剖结构的差异，适宜的热热解温度也不同[26]。本研究中，烟秆在不同热解温度制备的生物炭的比表面积、孔容与孔径呈负相关，亦或孔隙被形成较多的灰分堵塞；等温吸附结果分析表明，可观的表面性状并不能决定其对Cd2+的吸附效果，可能还受其化学性质的影响。
不同热解温度烟杆生物炭的红外特征吸收峰位置和强度发生变化，说明不同热解温度条件对生物炭表面官能团影响较大。烟秆生物炭热解温度增加，红外吸收峰的数量和强度逐渐减小，T700相对T300减少极为明显，这与王红等[27]的研究结果一致，他们认为官能团数量减少和吸收峰强度下降的原因主要是由于生物质热解条件下水分蒸发和小分子气体释放时造成。2 980 cm-1谱峰处的吸收强度随着温度的升高变得很弱或消失，说明热解温度＞300 ℃时，烟秆生物炭部分甲基（-CH3）和亚甲基（-CH2）逐渐被降解或改变，这与于晓娜[28]的研究结果一致；-CH2（2 800~3 000 cm-1）的伸缩振动随着温度的升高而逐渐消失，说明芳香化程度增加，化学稳定性增强[29]。T300、T500烟秆生物炭吸附Cd2+后，1 175 cm-1谱峰处的红外吸收峰消失，特征峰850 cm-1向815 cm-1偏移，说明烟秆生物炭内的官能团参与Cd2+的吸附过程，其具体吸附机制需进一步探究。
3.2 不同热解温度对生物炭吸附Cd2+的影响生物质的热解受到生物质原料固有的物理化学性质影响，而不同热解温度制备的生物炭的物理化学性质差异对重金属具有不同的吸附行为[30]。吸附动力学结果显示，0~2 h内5种烟秆生物炭对Cd2+表现出快速吸附，低温（300~400 ℃）热解的烟秆生物炭在2 h后吸附量几乎已经达到平衡状态，而高温（500~700 ℃）热解的烟秆生物炭在2~12 h之间吸附量持续增加，12~24 h达到吸附平衡，这主要可能是0~2 h内Cd2+快速扩散至固液界面或烟秆生物炭外面表的活性吸附位点上，2~12 h Cd2+逐渐向高温烟秆生物炭（T500~T700）孔隙结构扩散，与其内部活性吸附位点结合[31]，吸附量逐渐达到平衡状态，这点可与SEM表面特征进行佐证。准一级动力学方程拟合5种烟秆生物炭对Cd2+的动力学吸附过程拟合度较差，准二级动力学方程却很好的拟合Cd2+在5种烟秆生物炭上的吸附过程（R2 ≥ 0.998），同时其最大理论吸附容量（Qm）与试验所测值近似，表明烟秆生物炭对Cd2+的吸附过程以化学吸附占主导[31-32]；颗粒内扩散方程较好地拟合0~12 h对Cd2+的吸附数据（R2为0.864~0.990），说明颗粒内扩散是5种生物炭吸附Cd2+的限速步骤之一，而拟合曲线未过原点（C1: 15.56~34.76 mg/g）则表明颗粒内扩散不是唯一控速过程，吸附速度也受膜扩散的影响[32]。
从拟合曲线来看，烟秆生物炭对Cd2+的吸附采用Langmuir-Freundlich模型拟合具有更好的拟合度（0.94~1.00），而Langmuir拟合曲线与Langmuir-Freundlich曲线重合，这表明理论上烟秆生物炭对Cd2+吸附不是单一的单分子层吸附，在某阶段同时存在多分子层吸附。通过热力学分析发现，烟秆生物炭对Cd2+的吸附主要是化学过程，这与吸附动力学研究结果一致；300 ℃温度制备的烟秆生物炭∆H0为正值，400~700 ℃制备的生物炭∆H0为负值，表明前者对Cd2+的吸附为吸热过程，后者为放热过程。但400~700 ℃制备的生物炭熵值变小，吸附过程的可逆性增加，表明不同温度热解的烟秆生物炭对吸附Cd2+的性能和机理有一定影响，可能与烟秆生物炭的表面特性尤其是官能团种类、数量和矿物质有关，确切原因和机理还需要进一步的研究。
一般生物炭吸附Cd2+比较复杂，包括静电吸附、专性吸附、π键作用等。生物炭表面有多种官能团，如-OH和-COOH等含氧官能团，带有负电荷，不仅可以通过静电引力吸附Cd2+，还可以通过配位键专性地吸附Cd2+[33-34]。此外，生物炭表面固结的金属氧化物和盐分，可以与Cd2+发生离子交换吸附作用，甚至发生共沉淀反应[35]，从而吸附Cd2+。生物炭原料和热解温度不同，其吸附Cd2+的机制也存在差异。污泥制备的生物炭表面含芳香族官能团，其吸附Cd2+的主要机制是含氧官能团的络合和金属C-π电子的配位。稻草制备的生物炭含CO32-和PO43-等离子，其吸附Cd2+主要机制是以沉淀和阳离子交换[36]，这与Huang等[37]用水稻壳对Cd2+的吸附作用研究结果一致，且热解温度从300 ℃提升到700 ℃，阳离子交换和沉淀的占比分别从59.55% 提升到76.05%。烟秆生物炭在低温热解（≤ 400 ℃）条件下富含有机质，其对镉的吸附表现为表面络合作用；在高温热解（≥ 500 ℃）下富含矿物和芳烃，对镉的吸附表现为沉淀作用[38]，700 ℃对Cd2+的吸附效果最好，与本研究结果一致。
烟秆生物炭与棉花[39]、小麦[40]、水稻[41]和玉米[42]等农业废弃秸秆炭化（300~700 ℃）制备的生物炭对Cd2+吸附结果（9.74~52.90 mg/g）相比，烟秆生物炭吸附Cd2+的能力更强，吸附量最高可达106.16 mg/g，是棉花秸秆生物炭的10倍。同时，土壤重金属Cd2+的生物有效性受土壤pH影响，生物炭可以通过提升pH降低土壤中Cd2+的有效性[43]。本研究中使用的烟秆生物炭的pH值较高（9.05~11.54），基于此，后期可将其运用于Cd2+污染土壤中，降低土壤中Cd2+的生物有效性，发挥烟秆生物炭作为重金属吸附剂或钝化剂的潜力和价值。
4 结论本研究采用热解技术将烟秆制备生物炭，研究其对Cd2+的吸附特性和作用机制。结果表明，不同温度制备的生物炭性质有明显差异，对Cd2+的吸附性能显著受制备温度的影响。受烟秆纤维素、半纤维素和木质素的影响，高温热解的生物炭芳香结构更加复杂而稳定，对Cd2+的吸附能力较高。结合表征技术分析，高温热解的烟秆生物炭孔隙结构丰富，而低温热解的烟秆生物炭有较大的比表面积和孔容。动力学研究表明，不同温度制备的烟秆生物炭对Cd2+的吸附能很好地用准二级动力学方程拟合（R2为0.998~0.999）和颗粒内扩散方程拟合（R2为0.864~0.990），表明吸附是异质性化学吸附。等温吸附试验表明，Langmuir-Freundlich方程对生物炭吸附Cd2+具有较高的拟合度（0.94~1.00），表明理论上烟秆生物炭对Cd2+吸附不是单一的单分子层吸附，在某阶段同时存在多分子层吸附。通过LangmuirFreundlich模型计算，T700对Cd2+的吸附量最大、为106.16 mg/g。此外，对比稻草、麦秸等农林废物源生物炭，烟秆生物炭具有更高的吸附性能，在Cd2+污染修复治理方面具有更大潜力。
| [1] |
ZHU X F, LABIANCA C, HE M J, LOU Z J, WU C F, YOU S M, TSANG D C W. Life-cycle assessment of pyrolysis processes for sustainable production of biochar from agro-residues[J]. Bioresource Technology, 2022, 360: 127601. DOI:10.1016/j.biortech.2022.127601 |
| [2] |
黄庆, 刘忠珍, 朱根发, 魏岚, 黄连喜, 李翔, 黄玉芬, 陈伟盛. 生物质炭基肥料及作物施用技术研究进展[J]. 广东农业科学, 2021, 48(1): 26-34. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2021.01.004 HUANG Q, LIU Z Z, ZHU G F, WEI L, HUANG L X, LI X, HUANG Y F, GHEN W S. Research progress in biochar-based fertilizer and its application technology for crops[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2021, 48(1): 26-34. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2021.01.004 |
| [3] |
屈玉娇, 李集勤, 陈泽鹏, 文志强, 梁俊芬, 曹阳, 李淑玲, 陈俊标. 广东省烟叶生产现状与发展对策[J]. 广东农业科学, 2019, 46(11): 141-147. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2019.11.020 QU Y J, LI J Q, CHEN Z P, WEN Z Q, LIANG J F, CAO Y, LI S L, CHEN J B. Current status and future development of flue-cured tobacco production in Guangdong province[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2019, 46(11): 141-147. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2019.11.020 |
| [4] |
ZHANG P Z, ZHANG X X, LI Y F, HAN L J. Influence of pyrolysis temperature on chemical speciation, leaching ability, and environmental risk of heavy metals in biochar derived from cow manure[J]. Bioresource Technology, 2020, 302: 122850. DOI:10.1016/j.biortech.2020.122850 |
| [5] |
FISHER T, HAJALIGOL M, WAYMACK B, KELLOGG D. Pyrolysis behavior and kinetics of biomass derived materials[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2002, 62(2): 331-349. DOI:10.1016/s0165-2370(01)00129-2 |
| [6] |
周波, 穆传辉, 唐余玲, 周建飞. 制革污泥生物炭对废水中亚甲基蓝的吸附性能研究[J]. 皮革科学与工程, 2021, 31(6): 14-20. DOI:10.19677/j.issn.1004-7964.2021.06.003 ZHOU B, MU C H, TANG Y L, ZHOU J F. Study on the adsorption performance of tannery sludge biochar towards methylene blue from wastewater[J]. Leather Science and Engineering, 2021, 31(6): 14-20. DOI:10.19677/j.issn.1004-7964.2021.06.003 |
| [7] |
朱俊波, 赵建兵, 周世萍, 吴春华, 赵蝶, 蒋琳欢, 刘守庆. 花生壳生物炭去除水中铅镉离子的性能及吸附机理研究[J]. 西南林业大学学报, 2022, 42(6): 1-9. ZHU J B, ZHAO J B, ZHOU S P, WU C H, ZHAO D, JIANG L H, LIU S Q. Study on adsorption performance and mechanism of peanut shell biochar for Pb2+ and Cd2+ in water[J]. Journal of Southwest Forestry University, 2022, 42(6): 1-9. |
| [8] |
DENG Y Y, HUANG S, LAIRD D A, WANG X G, DONG C Q. Quantitative mechanisms of cadmium adsorption on rice straw and swine manure-derived biochars[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25: 32418-32432. DOI:10.1007/s11356-018-2991-1 |
| [9] |
LIU L, FAN S S. Removal of cadmium in aqueous solution using wheat straw biochar: effect of minerals and mechanism[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2018, 25: 8688-8700. DOI:10.1007/s11356-017-1189-2 |
| [10] |
JIA Y, SHI S L, LIU J, SU S M, LIANG Q, ZENG X, LI T S. Study of the effect of pyrolysis temperature on the Cd2+ adsorption characteristics of biochar[J]. Applied Sciences, 2019. DOI:10.3390/app8071019 |
| [11] |
赵德清, 戴亚, 冯广林, 杨杰, 谭兰兰, 李军. 烟秆的化学成分、纤维形态与生物结构[J]. 烟草科技, 2016, 49(4): 80-86. DOI:10.16135/j.issn1002-0861.20160413 ZHAO D Q, DAI Y, FENG G L, YANG J, TAN L L, LI J. Chemical composition fiber morphology and biological structure of tobacco stalks[J]. Tobacco Science & Technology, 2016, 49(4): 80-86. DOI:10.16135/j.issn1002-0861.20160413 |
| [12] |
徐亮, 于晓娜, 李雪利, 王悦霖, 宋佳倩, 叶协锋, 卢剑. 不同热解温度制备的烟秆生物炭理化特征分析[J]. 土壤通报, 2021, 52(1): 75-81. DOI:10.19336/j.cnki.trtb.2020050701 XU L, YU X N, LI X L, WANG Y L, SONG J Q, YE X F, LU J. Physico-chemical characteristics of biochars prepared by pyrolysis of tobacco-stalk under different temperatures[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2021, 52(1): 75-81. DOI:10.19336/j.cnki.trtb.2020050701 |
| [13] |
邵秀红, 马柱文, 袁清华, 李集勤, 潘晓英, 黄振瑞. 烟草种质资源重要活性成分含量差异研究[J]. 广东农业科学, 2021, 48(12): 91-99. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2021.12.011 SHAO X H, MA Z W, YUAN Q H, LI J Q, PAN X Y, HUANG Z R. Study on content differences of important active ingredients in tobacco germplasm resources[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2021, 48(12): 91-99. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2021.12.011 |
| [14] |
郑坚强, 刘彬, 王小飞, 贾学伟, 许春平. 烟草秸秆纳米纤维素的制备及表征分析[J]. 河南农业科学, 2021, 50(3): 165-173. DOI:10.15933/j.cnki.1004-3268.2021.03.022 ZHENG J Q, LIU B, WANG X F, JIA X W, XU C P. Preparation and characterization of nanocellulose from tobacco straw[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2021, 50(3): 165-173. DOI:10.15933/j.cnki.1004-3268.2021.03.022 |
| [15] |
WANG S Y, KWAK J H, ISLAM M S, NAERTH M A, EI-DIN M G, CHANG S X. Biochar surface complexation and Ni(Ⅱ), Cu(Ⅱ), and Cd(Ⅱ) adsorption inaqueous solutions depend on feedstock type[J]. Science of the Total Environment, 2020, 712: 136538. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.136538 |
| [16] |
ZHU X D, LIU Y C, QIAN F, ZHOU C, ZHANG S C, CHEN J M. Preparation of magnetic porous carbon from waste hydrochar by simultaneous activation and magnetization for tetracycline removal[J]. Bioresource Technology, 2014, 154: 209-214. DOI:10.1016/j.biortech.2013.12.019 |
| [17] |
丁莉. 生物炭对酚类污染物及铅的交互吸附作用[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2021. DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2021.000438. DING L. Interactive adsorption of phenolic pollutants and lead by biochar[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2021. DOI: 10.27205/d.cnki.gltec.2021.000438. |
| [18] |
郑足红, 王华伟, 郑敏红. 改性橘子皮对Cd2+、Cu2+和Zn2+的吸附[J]. 湖北工程学院学报, 2021, 41(6): 18-24. DOI:10.3969/j.issn.2095-4824.2021.06.004 ZHENG Z H, WANG H W, ZHENG M H. Adsorption of Cd2+, Cu2+ and Zn2+ from modified orange peel[J]. Journal of Hubei Engineering University, 2021, 41(6): 18-24. DOI:10.3969/j.issn.2095-4824.2021.06.004 |
| [19] |
YUAN J H, XUA R K, ZHANG H. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology, 2011, 102: 3488-3497. DOI:10.1016/j.biortech.2010.11.018 |
| [20] |
叶协锋, 于晓娜, 孟琦, 刘迎昌, 宋显锋, 刘国庆, 刘媛媛, 聂鑫. 烤烟秸秆炭化后理化特性分析[J]. 烟草科技, 2015, 48(5): 14-18. DOI:10.16135/j.issn1002-0861.20150503 YE X F, YU X N, MENG Q, LIU Y C, SONG X F, LIU G Q, LIU Y Y, NIE X. Analysis of physical and chemical properties of carbonized tobacco stalks[J]. Tobacco Science & Technology, 2015, 48(5): 14-18. DOI:10.16135/j.issn1002-0861.20150503 |
| [21] |
朱启林, 索龙, 刘丽君, 张雪彬, 刘金霞, 孟磊, 何秋香, 柯用春. 裂解温度对海南不同材料生物炭理化特性的影响[J]. 热带作物学报, 2022, 43(1): 216-223. DOI:10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.026 ZHU Q L, SUO L, LIU L J, ZHANG X B, LIU J X, MENG L, HE Q X, KE Y C. Effect of pyrolysis temperature on the physicochemical properties of biochar from different materials in hainan[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2022, 43(1): 216-223. DOI:10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.026 |
| [22] |
WANG S R, DAI G G, YANG H P, LUO Z G. Lignocellulosic biomass pyrolysis mechanism: A state-of-the-art review[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2017, 62: 33-86. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.03.268 |
| [23] |
周丹丹, 屈芳舟, 吴敏, 储刚, 吴文卫. 植物根际分泌有机酸对生物炭吸附Pb(Ⅱ) 的影响[J]. 中国环境科学, 2019, 39(3): 1199-1207. DOI:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2019.0145 ZHOU D D, QU F Z, WU M, CHU G, WU W W. Effects of organic acids secreted from plant rhizosphereon adsorption of Pb(Ⅱ) by biochars[J]. China Environmental Science, 2019, 39(3): 1199-1207. DOI:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2019.0145 |
| [24] |
XU D F, CAO J M, LI Y X, HOWARD A, YU K W. Effect of pyrolysis temperature on characteristics of biochars derived from different feedstocks: A case study on ammonium adsorption capacity[J]. Waste Management, 2019, 87(15): 652-660. DOI:10.1016/j.wasman.2019.02.049 |
| [25] |
HE J Y, LI Y L, WANG C M, ZHANG K S, LIN D Y, KONG L T, LIU J H. Rapid adsorption of Pb, Cu and Cd from aqueous solutions by β-cyclodextrin polymers[J]. Applied Surface Science, 2017, 426: 29-39. DOI:10.1016/j.apsusc.2017.07.103 |
| [26] |
VERCRUYSSE W, SMEETS J, HAELDERMANS T, JOOS B, HARDY A, SAMYN P, YPERMAN J, VANREPPELEN K, CARLEER R, ADRIAENSENS P, MARCHAL W, VANDAMME D. Biochar from raw and spent common ivy: Impact of preprocessing and pyrolysis temperature on biochar properties[J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2021, 159: 105294. DOI:10.1016/j.jaap.2021.105294 |
| [27] |
王红, 夏雯, 卢平, 布雨薇, 杨浩. 生物炭对土壤中重金属铅和锌的吸附特性[J]. 环境科学, 2017, 38(9): 3944-3952. DOI:10.13227/j.hjkx.201701171 WANG H, XIA W, LU P, BU Y W, YANG H. Adsorption characteristics of biochar on heavy metals (Pb and Zn) in soil[J]. Environmental Science, 2017, 38(9): 3944-3952. DOI:10.13227/j.hjkx.201701171 |
| [28] |
于晓娜. 烟秆生物炭的理化性质及其在烤烟上的应用[D]. 郑州: 河南农业大学, 2017. YU X N. Physical and chemical properties of tobacco-stalk-biochar and its application in tobacco[D]. Zhengzhou: Henan Agricultural University, 2017. |
| [29] |
黄玉芬, 魏岚, 李翔, 黄连喜, 许桂芝, 黄庆, 刘忠珍. 不同裂解温度稻壳生物炭对阿特拉津的吸附行为及机制[J]. 环境科学研究, 2020, 33(8): 1919-1928. DOI: 10.13198j.issn.1001-6929.2020.01.04. HUANG Y F, WEI L, LI X, HUANG L X, XU G Z, HUANG Q, LIU Z Z. Adsorption of atrazine by biochar obtained from pyrolysis of rice husk at different temperatures[J]. Research of Environmental Sciences, 2020, 33(8): 1919-1928. DOI: 10.13198j.issn.1001-6929.2020.01.04. |
| [30] |
KUMAR R, STREZOV V, WELDEKIDAN H, HE J, SINGS S, KAN T, DASTJERDI B. Lignocellulose biomass pyrolysis for bio-oil production: a review of biomass pre-treatment methods for production of drop-in fuels[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2020, 123: 109763. DOI:10.1016/j.rser.2020.109763 |
| [31] |
来张汇. 改性生物炭的制备及其对水中Cd(Ⅱ) 的吸附性能研究[D]. 南昌: 南昌大学, 2021. DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2021.002181. LAI Z H. Preparation of modified biochar and its adsorption performance on Cd(Ⅱ) in water[D]. Nanchang: Nanchang University, 2021. DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2021.002181. |
| [32] |
王震宇, 刘国成, XING M, 李锋民, 郑浩. 不同热解温度生物炭对Cd(Ⅱ) 的吸附特性[J]. 环境科学, 2014, 35(12): 4735-4744. DOI:10.13227/j.hjkx.2014.12.042 WANG Z Y, LIU G C, XING M, LI F M, ZHENG H. Adsorption of Cd(Ⅱ)varies with biochars derived at different pyrolysis temperatures[J]. Environmental Science, 2014, 35(12): 4735-4744. DOI:10.13227/j.hjkx.2014.12.042 |
| [33] |
BANDARA T, XU J M, POTTER I D, FANKS A, CHATHURIKA J B A J, TNG C X. Mechanisms for the removal of Cd(Ⅱ) and Cu(Ⅱ) from aqueous solution and mine water by biochars derived from agricultural wastes[J]. Chemosphere, 2020, 254: 126745. DOI:10.1016/j.chemosphere.2020.12674 |
| [34] |
康彩艳, 李秋燕, 刘金玉, 张舒云, 胡乐宁, 邓华. 不同热解温度生物炭对Cd2+的吸附影响[J]. 工业水处理, 2021, 41(5): 68-72, 79. KANG C Y, LI Q Y, LIU J Y, ZHANG S Y, HU L N, DENG H. Effect of biochar at different pyrolysis temperatures on the adsorption of Cd2+[J]. Industrial Water Treatment, 2021, 41(5): 68-72, 79. |
| [35] |
XU X Y, CAOX D, ZHAO L, WANG H L, YU H G, GAO B. Removal of Cu, Zn, and Cd from aqueous solutionsby the dairy manure-derived biochar[J]. Environment Science Pollution Research, 2013, 20(1): 358-368. DOI:10.1007/s11356-012-0873-5 |
| [36] |
GAO LY, DENG J H, HUANG G F, LI K, CAI K Z, LIU Y, HUANG F. Relative distribution of Cd2+ adsorption mechanisms on biochars derived from rice straw and sewage sludge[J]. Bioresource Technology, 2019, 272: 114-122. DOI:10.1016/j.biortech.2018.09.138 |
| [37] |
HUANG F, GAO L Y, WU R R, WANG H, XIAO R B. Qualitative and quantitative characterization of adsorption mechanisms for Cd2+ by silicon-rich biochar[J]. Science of the Total Environment, 2020, 731: 139163. DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.139163 |
| [38] |
ZHOU Z, XU Z H, FENG Q J, YAO D H, YU J G, WANG D S, LV S Q, LIU Y F, ZHOU N, ZHONG M E. Effect of pyrolysis condition on the adsorption mechanism of lead, cadmium and copper on tobacco stem biochar[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 187: 996-1005. DOI:10.1016/j.jclepro.2018.03.268 |
| [39] |
郭文娟, 梁学峰, 林大松, 徐应明, 王林, 孙约兵, 秦旭. 土壤重金属钝化修复剂生物炭对镉的吸附特性研究[J]. 环境科学, 2013, 34(9): 3716-3721. DOI:10.13227/j.hjkx.2013.09.058 GUO W J, LIANG X F, LIN D S, XU Y M, WANG L, SUN Y B, QIN X. Adsorption of Cd2+ on biochar from aqueous solution[J]. Environmental Science, 2013, 34(9): 3716-3721. DOI:10.13227/j.hjkx.2013.09.058 |
| [40] |
马锋锋, 赵保卫, 刁静茹. 小麦秸秆生物炭对水中Cd2+的吸附特性研究[J]. 中国环境科学, 2017, 37(2): 551-559. MA F F, ZHAO B W, DIAO J R. Adsorptive characteristics of cadmium onto biochar produced from pyrolysis of wheat straw in aqueous solution[J]. China Environmental Science, 2017, 37(2): 551-559. |
| [41] |
曹健华, 刘凌沁, 黄亚继, 陶圣年, 秦文慧, 任海斌. 原料种类和热解温度对生物炭吸附Cd2+的影响[J]. 化工进展, 2019, 38(9): 4183-4190. DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-2494 CAO J H, LIU L Q, HUANG Y J, TAO S N, QIN W H, REN H B. Effects of feedstock type and pyrolysis temperature on Cd2+ adsorption by biochar[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2019, 38(9): 4183-4190. DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-2494 |
| [42] |
徐楠楠, 林大松, 徐应明, 谢忠雷, 梁学峰, 郭文娟. 玉米秸秆生物炭对Cd2+的吸附特性及影响因素[J]. 农业环境科学学报, 2014, 33(5): 958-964. XU N N, LIN D S, XU Y M, XIE Z L, LIANG X F, GUO W J. Adsorption of aquatic Cd2+ by biochar obtained from corn stover[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(5): 958-964. |
| [43] |
郜礼阳, 林威鹏, 张风姬, 周巧仪, 刘淑媚, 熊蔓, 凌彩金. 生物炭对酸性土壤改良的研究进展[J]. 广东农业科学, 2021, 48(1): 35-44. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2021.01.005 GAO L Y, LIN W P, ZHANG F J, ZHOU Q Y, LIU S M, XIONG M, LING C J. Research progress of biochar in improving soil acidification[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2021, 48(1): 35-44. DOI:10.16768/j.issn.1004-874X.2021.01.005 |
(责任编辑 邹移光)