沈阳农大研发新型生物炭材料：高效去除工业染料污染物

沈阳农大研发新型生物炭材料：高效去除工业染料污染物

染料污染物的处理是当前水环境管理中的一个挑战。沈阳农业大学的研究团队开发了一种新型的KOH-壳聚糖共改性生物炭材料，该材料对工业染料污染物具有高效的吸附性能。

研究背景

染料污染物的处理仍然是当前水环境管理中的一个挑战。本研究合成了一种新型的KOH-壳聚糖共改性生物炭材料。采用扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)、XPS、X射线衍射(XRD)和热重分析等手段对改性后的生物炭材料的形貌和理化性质进行了表征。

材料制备

生物炭的制备

水稻秸秆在60℃烘箱中干燥24h，粉碎至5mm以下。将粉碎的生物质放入密封的坩埚中，并在500℃(加热速度为10℃/min)的马弗炉中热解1小时，以获得生物炭。在炉腔中冷却至室温后，取出生物炭并过筛(<2 mm)。

壳聚糖负载生物炭的制备

在 500 mL CH3COOH 溶液（2 % v/v）中加入不同量的壳聚糖（1.5 g 和 3 g），用磁力搅拌器搅拌至完全溶解，然后加入 3 g 生物炭粉末和 3 mL 戊二醛，继续搅拌 1 小时。然后用 1 mol/L NaOH 将溶液 pH 值调至 12，密封并在室温下保持 24 小时后分离沉淀，用去离子水洗涤直至上清液 pH 值保持不变，最后在 60 ℃ 下干燥、粉碎并过筛（<2 mm），得到壳聚糖负载生物炭。根据壳聚糖/生物炭的初始比例，上述生物炭分别称为 CH0.5BC 和 CH1BC。

壳聚糖负载KOH活化生物炭的制备

将生物炭(50 g)加入500 mL KOH溶液(1 mol/L)中，用磁力搅拌器搅拌1 h。将上述溶液密封保存24 h，以保证充分反应。沉淀用去离子水反复洗涤，直至上清pH恒定，60℃干燥得到KOH活化的生物炭(KBC)。用壳聚糖修饰KBC，将1.5 g和3g的壳聚糖按照相同方法负载在3g的KBC上，分别命名为CH0.5KBC和CH1KBC。

结果与讨论

KOH-壳聚糖共改性生物炭(CHKBC)表现出丰富的官能团(-COOH、-NH2和-OH)组成，使生物炭对MB的最大吸附量从8.83 mg/g大幅增加到62.04 mg/g，增加了7.03倍。在不同的溶液温度(288—318 K)和pH(5—11)条件下，CHKBC对MB均保持了良好的吸附性能。CHKBC去除MB的主要吸附机理包括离子交换、孔隙填充、静电吸引、π - π相互作用和氢键作用。

结论

在KOH修饰的生物炭上负载合适的壳聚糖制备的CH0.5KBC，与在原始生物炭上负载壳聚糖制备的CH0.5BC相比，不仅降低了成本，而且显著提高了MB的吸附量(62.04 mg/g vs. 27.96 mg/g)。这主要是因为KOH增加了生物炭的孔体积、比表面积和壳聚糖负载，增加了-COOH、-NH2和-OH官能团的含量，因此，通过孔隙填充、静电吸引、氢键、π - π相互作用和离子交换，生物炭对MB的吸附能力显著增强。此外，CH0.5KBC在各种环境条件下(温度、pH条件、共存离子)都保持了较强的吸附能力。重复利用实验表明，CH0.5KBC是一种可回收的MB吸附剂。因此，壳聚糖在KOH改性生物炭上吸附废染料污染物是可行的，该工艺具有很大的工业应用潜力。

本文原文来自Chemical Engineering Journal，链接：https:///10.1016/j.cej.2024.150387