香蕉皮生物炭的制备及其吸附催化性能分析

庞 娅 江源康 廖沛涵

（长沙学院生物与环境工程学院 湖南长沙 410000）

引言

生物炭是生物质(如各种植物残体、污泥、畜禽粪便等)在有限供氧的密闭环境中于相对较低的温度条件下(＜700℃)热解生成的一类富含碳素(C%＞60%)、性质稳定、具有不同程度芳香化的固态产物[1]。生物炭通常具有较发达的孔隙结构和丰富的表面官能团。以各类农业废弃物为前体制备的生物炭在修复重金属污染和有机物污染等方面表现出重要潜力[2]。大量理论研究与实践应用表明，生物炭有利于实现农业生产过程中能源的循环利用，对于修复水污染、资源化利用农业废弃物和可持续农业均具有重要意义[3-4]。

1 实验部分

1.1 生物炭的制备方法

收集新鲜的香蕉皮用去离子水洗净，放入烘箱，在105℃下烘至恒重，经粉碎、过不同粒径的筛子，将干香蕉皮颗粒密封存入干燥器内备用。香蕉皮生物炭Banana Biochar用BB表示，KOH处理的生物炭用KOH-BB表示，掺氮氮元素的生物炭用N-BB表示

（1）BB:将香蕉皮粉末于800℃煅烧2h，具体升温条件为5℃/min，升至800℃后，保持2h，等待自然冷却。

（2）KOH-BB:4g香蕉皮粉末混合100mL 2mol/L KOH，于室温160rpm震荡24h后冷冻干燥，于800℃煅烧2h，再先后用2mol/L KOH和2mol/L HCl搅拌洗涤4h，用去离子水冲洗、干燥后储存，具体升温条件为5℃/min，升至800℃后，保持2h，等待自然冷却后。

（3）N-BB:将0.1g KOH-BP与0.1g三聚氰胺加入到20mL乙醇中，超声后搅拌，置于60℃烘干，再置于马弗炉中煅烧（450℃1h+800℃ 1h），具体升温条件为 5℃/min，氮气条件下，升至 800℃后，保持2h，等待自然冷却后。

1.2 吸附催化实验

以制备的生物炭为吸附剂或者催化剂，加入到不同体积的浓度为100mg/L的环丙沙星溶液中。其中吸附操作中，加入的生物炭的量为0.01g；催化操作中，除加入0.01g的生物炭外，还加入了2mmol/L的过硫酸钾。避光震荡处理4h，过滤后测定浓度。

2 结果与讨论

2.1 生物炭的表征

分析了材料的比表面积和孔径，结果如表1所示

表1 香蕉皮生物炭比表面积和孔径

2.2 生物炭吸附催化性能

图1 三种生物炭吸附处理不同含量环丙沙星的效率

如图1所示，KOH-BB对环丙沙星的去除率最好，对20mL的100mg/L的环丙沙星去除率可达99.63%，在30mL中去除率也达到了99.48%，而在50mL的原液中环丙沙星的去除率有95.45%。而N-BB对环丙沙星的去除率略差。未修饰的BB对环丙沙星的去除率最差，可能是因为经过化学改性的生物炭比表面积增大，利于吸附环丙沙星。

图2 三种生物炭活化过硫酸钾降解环丙沙星的效率

综上比较图2，N-BP对环丙沙星的催化降解效果是最好的，但是在本实验中催化和吸附是同时存在的，N-BP对50mL的原液去除率可达到97.68%，而且80mL的原液中去除率也达到了77.15%，对比KOH-BP对环丙沙星的各组催化降解效果显得略好，其原因可能是香蕉皮生物炭N-BP掺杂N原子后，分子结构发生了一些变化，会有C-N键的形成，增加了生物炭的表面缺陷，而原BP对环丙沙星的催化降解效果是最差的。

结语

本研究通过制备出香蕉皮生物炭，用于吸附以及催化降解水中环丙沙星。所述的香蕉皮生物炭材料制备方法简单易操作，所制得的材料也好保存。KOH改性的生物炭吸附剂0.01g对100mg/L的环丙沙星水溶液的吸附效果是最好的，震荡混合4h后去除率达到了99.63%。而利用N-BB 0.01g作为催化剂加入到2mmol/L的过硫酸钾作为氧化剂，震荡混合4h后催化去除率污染物，达到了97.68%。