基于响应曲面分析的生物炭制备及其对重金属吸附作用研究

戴佩彬

摘要：选取典型农作物废弃物——水稻秸秆为生物质炭原料，采用响应曲面分析方法，研究生物炭对农田土壤典型重金属污染物Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附作用。结果表明：Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附率与生物炭的碳化温度有着明显的二次抛物线关系；Cd2+，Zn2+的吸附率与生物炭的碳化时间也有着明显的二次抛物线关系，但Cu2+ 的吸附率随生物炭的碳化时间增加而提高。根据不同碳化条件对重金属总体吸附效果的响应曲面可以预测，最佳模型的碳化条件为碳化时间3 h、碳化温度447 ℃。

关键词：生物质炭；重金属；吸附；响应曲面分析

中图分类号：X505 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2018）02-0047-03

生物炭（Biochar）是生物质在缺氧或无氧条件下，经较高温度（<700 ℃）热裂解形成的一类含碳的、稳定的、高度芳香化的固型材料，具有多孔性、比表面积大、表面吸附能力强等特性，其作为污染土壤的一种化学钝化剂，在农田重金属污染土壤修复与改良方面具有广阔的应用前景。然而，由于生物炭来源广泛，且制备及改性工艺多样，所形成的生物炭理化性质各异，造成其对不同重金属的修复效果不尽相同。目前，对生物炭大量应用于修复重金属污染土壤的效果与可行性仍未形成统一。本课题选取典型农作物废弃物水稻秸秆为生物炭原料，采用响应曲面分析方法，研究生物炭对农田土壤典型重金属污染物Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附作用，以優化制备工艺，筛选出最优生物炭，为后续大量应用生物炭修复农田土壤重金属污染提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试生物炭：以水稻秸秆为原料，分别在300，400，500 ℃条件下碳化1，2，3 h（共9个组合），高温裂解制备而成。研磨后过100目筛，储存在干燥器中备用。

1.2 试验方法

分别在100 mL锥形瓶中加入50 mL一定浓度的Cd2+，Cu2+，Zn2+溶液，再加入0.1 g不同制备条件下的生物炭粉末，用1% HNO3和1% NaOH溶液调节重金属溶液的初始 pH值为5.5。在25 ℃恒温摇床中振荡24 h，转速为150 r/min，抽滤，采用ICP-OES测定剩余溶液中Cd2+，Cu2+，Zn2+的浓度。

1.3 数据分析

采用响应曲面法对不同碳化条件下生物炭对重金属的吸附率进行分析，得出最佳碳化条件。

2 结果与分析

2.1 中心组合试验结果

采用响应曲面法分析确定生物炭最佳制备条件，利用Design Expert 8.0软件进行CCD优化设计，选取2个因素：A碳化时间（1，2，3 h）和B碳化温度（300，400，500 ℃）。碳化条件的中心组合因素水平见表1，得到13组试验条件，结果见表2。

2.2 不同碳化条件对各重金属吸附率的影响

根据中心组合试验结果建立不同碳化条件对各重金属吸附率的模型。为了直观地表达不同碳化时间和碳化温度对各重金属吸附的交互作用，建立模型的响应曲面图（如图1所示）。

由图1可以看出：不同碳化时间和碳化温度下制备的生物炭对Cd2+和Zn2+的吸附具有明显的二次抛物线关系，且两者具有明显的交互作用；而对Cu2+的吸附率与碳化温度有明显的二次抛物线关系，且随着碳化时间的增加而提高。

不同碳化条件对重金属总体吸附率的响应曲面图如图2所示。

由图2可以看出：各重金属的吸附率与碳化时间有明显的二次抛物线关系；同时，随着碳化时间的增加，吸附率不断提高。

2.3 响应曲面最佳模型条件及其预测结果

以往的研究表明，快速加热获得的生物炭较少，而慢速热解可以生产更多的生物炭，因此，碳化时间的延长能够提高得炭率，从而进一步提高生物炭对重金属的吸附率。此外，高温热裂解比低温热裂解的生物炭具有较高pH值、灰分含量、生物学稳定性及含碳量，但高温热裂解保留原生物质中的碳比低温热裂解要少，而生物炭的孔隙度、比表面积及CEC只有在一定温度范围内热裂解才能获得最大值，因此，生物炭的碳化温度并非越高越好。

通过响应曲面优化分析可得污染土壤中各重金属吸附的最佳模型条件为：碳化时间3 h，碳化温度447 ℃。各重金属在该碳化条件下吸附率的预测值见表3。该模型对重金属吸附率的可信度达0.977。

3 结论

由响应曲面分析可知，Cd2+，Cu2+，Zn2+的吸附率与生物炭的碳化温度有着明显的二次抛物线关系；Cd2+，Zn2+的吸附率与生物炭的碳化时间也有着明显的二次抛物线关系，但Cu2+的吸附率随生物炭的碳化时间增加而提高。根据不同碳化条件对重金属总体吸附效果的响应曲面可以预测，最佳模型的碳化条件为碳化时间3 h、碳化温度447 ℃。

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