改性沼渣生物炭对四环素的高效去除研究

改性沼渣生物炭对四环素的高效去除研
究
摘要
高温热解能够消除沼渣中的抗生素和病原体，并有效实现沼渣的减量化。

而
沼渣中富含有机碳源，具有制备生物质炭的潜力。

因此，通过热解炭化技术制备
沼渣生物炭为厨余垃圾厌氧沼渣的资源化利用提供了新的思路。

沼渣生物炭具有
良好的孔隙结构、较大的比表面积、适宜的表面电荷和丰富的含氧官能团，有利
于吸附去除水体中的污染物。

目前沼渣生物炭的制备及其在水处理中的应用已有
研究报道，王玉等研究不同粒径餐厨沼渣在制备生物炭过程中对沼渣及生物炭所
含磷和重金属的影响，结果表明热解炭化可以使沼渣中的重金属得到稳定固化，
且较小粒径的沼渣热解炭化更有利于磷的富集和重金属潜在生态风险的降低；
Yao等分别使用厌氧消化前后的甜菜为原料制备生物质炭，发现厌氧消化后的沼
渣炭拥有更高的除磷效果，其对水体中P的去除率可达73%；Sun等将餐厨沼渣
和树皮混合热解制备沼渣炭，其在pH为7和40℃的条件下对水体中亚甲基蓝的
去除率可达到99.5%；庄海峰等提出以沼气工程剩余沼渣和含铁剩余污泥为原材
料制备沼渣生物炭基Fenton催化剂的方法，结果表明H2O2和催化剂的投加量分
别为0.50 g/L、1.00 g/L时，室温下反应120 min可以使吡虫啉的去除率高达99%以上；Inyang等提出以牛粪和甜菜厌氧消化沼渣为原材料制备生物炭的方法，研究表明两种沼渣生物炭能够有效去除水体中的重金属，对Pb的吸附量则高达200 mmol·kg-1，吸附效果与商业活性炭相当。

上述研究结果显示热解炭化能够
有效固化沼渣中的重金属，同时沼渣生物炭能够有效去除水体中的无机污染物、
有机污染物（有机染料、农药类）以及重金属，表明以沼渣为原材料制备生物炭
是实现厨余垃圾厌氧沼渣安全处置和资源化利用的有效途径之一。

关键词：沼渣；生物炭；预处理；碳酸氢钾；四环素
第1章材料与方法
1.1 材料和仪器
1.1.1 实验材料
四环素（Tetracycline,TC）购于上海源叶生物有限公司，其化学结构式如图1所示。

其他化学试剂HCl和KHCO3为分析纯，分别购于西陇科学股份有限公司及上海麦克林生化科技有限公司。

实验用水为纯水（RO）。

1.1.2 原状生物炭的制备
取10 g原状沼渣置于石英舟中，在高纯氮气气氛保护下于管式马弗炉中实行热解，一分钟5摄氏度为加热速率，当温度达到700摄氏度时保持2小时的恒温，之后便停止加入，直至恢复至室温，取出炭化产物，使用一定量的1M盐酸溶液对生物炭进行洗涤，磁力搅拌时间为1 h。

重复酸洗三次后，抽滤、反复用纯水冲洗至滤液呈中性。

将得到的固体在烘箱中烘干，烘干温度为60℃，干燥后使用研磨机球磨2 min，得到原状沼渣生物炭，标记为BRBC。

对水洗沼渣、酸洗沼渣重复上述操作步骤，制备得到另外两种原状生物炭，分别标记为BRBC-W、BRBC-A。

1.1.3 改性生物炭的制备
取10 g原状沼渣和60 g碳酸氢钾充分混合后置于石英舟中，在高纯氮气气氛保护下于管式马弗炉中进行高温热解，加热速率为5℃·min-1，达到设定温度700℃后保温2 h。

待降至室温后，取出炭化产物，使用过量的1M盐酸溶液对炭化产物进行洗涤，磁力搅拌时间为1 h。

重复酸洗三次后，抽滤、反复用纯水冲洗至滤液呈中性。

将得到的固体在烘箱中烘干，烘干温度为60℃，干燥后使用研磨机球磨2 min，得到改性后的原状沼渣生物炭，标记为M-BRBC。

对水洗沼渣、酸洗沼渣重复上述操作步骤，制备得到另外两种改性生物炭，分别标记为M-BRBC-W、M-BRBC-A。

1.2 沼渣生物炭的表征
表征是测定生物炭各种物理化学性质的重要途径和手段。

本研究采用X射线
荧光光谱分析测定生物炭中微量元素的种类和含量。

1.3 序批式吸附实验
为确定生物炭的吸附性能、比较不同预处理及改性方式是如何影响生物炭吸
附性能的。

本文的试验方法主要有以下两种：其一，吸附动力学；其二，吸附等
温线。

希望借此可以明确当处于吸附阶段时，生物炭是如何吸附TC的。

1.3.1 溶液初始pH影响
在棕色玻璃瓶中加入20 mL TC溶液，浓度为50 mg·L-1。

采用0.1 mol·L-1 HCl或0.1 mol·L-1 NaOH调节溶液pH值至3.0、5.0、7.0、9.0、11.0，并加入0.01 g BRBC。

避光振荡24 h后取出，离心、过膜、测定同上述吸附动力学实验。

对BRBC-W、BRBC-A、M-BRBC、M-BRBC-W、M-BRBC-A重复上述实验操作。

1.3.2 吸附动力学实验
吸附动力学实验能够考查生物炭对TC吸附量随吸附时间变化的过程，具体
实验步骤如下：将一升100毫克浓度的四环素溶液倒入锥形瓶中，剂量为100毫升，并加入剂量为0.1克的BRBC。

将恒温振荡箱的转速设定为一分钟180转，之
后进行振荡，分别于0、1、3、5、10、15、20、30、60、120、240、360、480、600 min时刻进行取样。

取样后即可使用0.45μm针头过滤器过滤，将滤液稀释
5倍后使用紫外分光光度计，TC吸光度的测定开展与波长为358纳米处。

重复上
述步骤，完成以下物质的试验，包括：BRBC-A、M-BRBC-W等。

1.3.3 吸附等温线实验
吸附等温线实验能够考察溶液初始TC浓度变化对生物炭吸附过程的影响，
具体步骤如下：分别在棕色玻璃瓶中加入20 mL浓度为10、30、50、75、100、150、200 mg·L-1的四环素溶液，各添加0.10 g BRBC，即固液比为0.5 g·L-1。

将棕色玻璃瓶置于振荡培养箱中恒温振荡24 h，转速设定为180 r·min-1。

取出
后离心、过膜、测定同上述吸附动力学实验。

对BRBC-W、BRBC-A、M-BRBC、M-BRBC-W、M-BRBC-A重复上述吸附等温线实验操作。

第2章结论
（1）本研究采用水洗、酸洗结合KHCO3活化制备得到六种沼渣炭。

不同的预
处理方法能够显著影响沼渣炭的吸附效果，水洗炭（BRBC）和改性水洗炭（M-BRBC-W）改性前后均原状炭、水洗炭、改性水洗炭、改性酸洗炭能够在较宽的pH
适应范围（3.0＜pH＜9.0）内有效去除水体中的TC，对酸性、中性以及弱碱性环
境适应性强。

（2）拟二级动力学模型和Freundlich模型能较好地描述原状炭、酸洗炭、
改性原状炭、改性酸洗炭吸附四环素的过程，而对于水洗炭、改性水洗炭而言，
其吸附过程与拟二级动力学模型和Langmuir模型相符。

（3）在吸收四环素方面，沼渣生物炭的最大吸附量如下所示：BRBC-W＞M-BRBC-W＞BRBC＞M-BRBC-A＞BRBC-A＞M-BRBC。

水洗预处理能够显著提升沼渣炭的
吸附效果，水洗炭和改性水洗炭对TC的最大吸附量比原状炭提升了36.5%、35%，酸洗炭及改性原状炭的吸附容量则明显下降；但经KHCO3活化后，酸洗炭对TC的
最大吸附量从87.83 mg·g-1增加到220.46 mg·g-1。

（4）综上，水洗预处理和KHCO3作为活化剂对沼渣生物炭的改性是可行的，
沼渣生物炭具有应用于污水处理去除抗生素类污染物的潜力。

未来的研究方向应
聚焦于沼渣生物炭中重金属在水体环境中可能引起的潜在生态风险，以评估沼渣
生物炭在废水处理中的实际应用效果，为实现厨余垃圾厌氧沼渣的安全处置和资
源化利用提供建议。

参考文献
[1]张雷.生物炭技术研究模式及国内外发展现状[J].农业经
济,2022,(04):24-25.
[2]汪振国,马媛媛,王西娜,刘少泉,古超峰,姬强.生物炭输入对土壤有机碳
和玉米生长的影响[J].新疆农业科学,2022,59(04):818-826.
[3]赵光昕,刘宏元.生物炭对农田氧化亚氮排放及其影响机制的研究进展[J].天津农林科技,2022,(02):40-43.
[4]李博文,刘洋,李宗霖,齐佳敏,谭聪,何莹,仇浩.生物炭对土壤酶活性影响的机理研究进展[J].材料导报,2022,36(07):163-168.
[5]张安平,张倩儿,赖文锋.樟树叶生物炭对挥发性有机物的吸附研究[J].浙江工业大学学报,2022,50(02):209-215.。