水热、热裂解制备稻秸炭的表征与吸附特性

水热、热裂解制备稻秸炭的表征与吸附特性

向天勇;单胜道;张正红;蓝建明

【摘要】以稻秸为原料, 分别通过水热炭化和热裂解炭化制备稻秸炭 (分别记为水热炭和热解炭) , 通过傅立叶红外线光谱 (FT-IR) 、X射线衍射 (XRD) 、扫描电子显微镜 (SEM) 和BET分析, 比较两种稻秸炭的差异, 通过亚甲基蓝、Cu2+的吸附实验, 分析其对有机物与金属离子的吸附性能.结果表明:水热炭表面含有更丰富的

含氧官能团, 结构更加规整, 但比表面积低于热解炭;水热炭对亚甲基蓝的吸附能力略低于热解炭, 但对Cu2+的吸附能力显著高于热解炭;两种稻秸炭对亚甲基蓝的吸附及热解炭对Cu2+的吸附通过表面吸附及颗粒内扩散共同发挥作用, 更符合Freundlich模型;水热炭通过表面含氧官能团与Cu2+相互作用, 对吸附Cu2+具有显著优势, Langmuir模型更适合于对其吸附数据进行拟合.%Preparation of hydrothermal carbonization and pyrolytic carbonization products with rice straw as raw material, the characterization of the two carbon products, namely hydrothermal carbon (HC) and pyrolytic carbon (PC) was compared by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) , X-ray diffraction (XRD) , scanning electron microscope (SEM) and BET analysis, and the adsorption performance of organic compounds and metal ions were analyzed by methylene blue and Cu2+adsorption test.The results showed that the HC contained a richer oxygencontaining functional group on the surface and its structure was more regular than PC, but its specific surface area was smaller.The adsorption capacity for methylene blue of HC was slightly lower, and the adsorption capacity for Cu2+was significantly higher than that of PC.The adsorption of methylene blue on both carbon products and

Cu2+on PC mainly depended on the interaction of surface adsorption and particle diffusion, and the adsorption data more fit with Freundlich model.Through the interaction of oxygen-containing functional groups with Cu2+, HC had remarkable advantages in the adsorption of metal ions, and Langmuir model was more suitable for the adsorption data fitting.【期刊名称】《环境污染与防治》

【年(卷),期】2019(041)001

【总页数】5页(P72-76)

【关键词】稻秸;水热炭;热解炭;表征;吸附

【作者】向天勇;单胜道;张正红;蓝建明

【作者单位】嘉兴职业技术学院农业与环境分院,浙江嘉兴 314036;浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室,浙江科技学院环境与资源学院,浙江杭州310023;浙江省废弃生物质循环利用与生态处理技术重点实验室,浙江科技学院环境与资源学院,浙江杭州 310023;嘉兴职业技术学院农业与环境分院,浙江嘉兴314036;嘉兴职业技术学院农业与环境分院,浙江嘉兴 314036

【正文语种】中文

水热炭化是在水的亚临界条件下，以生物质为前驱体制备新型炭材料的一种相对温和的炭化方法，其成品保留丰富的含氧、含氮官能团，在废弃生物质高值利用方面具有优势[1]。同时由于稻秸中灰分高达13%(质量分数)以上[2]，极大影响了稻秸的能源化利用。樊奥楠等[3]证实水热炭化可以有效去除稻秸中的主要成灰金属元

素，明显减轻稻秸燃烧过程中存在的积灰和结渣现象。因此，稻秸的水热炭化对于以稻秸作为生物质前躯体制备新型炭材料及稻秸的能源化利用，都具有重要意义。对于生物质水热炭化，目前的研究主要集中在生物质前驱体类型、反应温度和时间等方面[4-9]。然而，水热炭化与热解炭化的炭材料在表征及吸附性能方面的差异鲜有报道。本研究通过傅立叶红外线光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和BET分析等表征手段，对水热炭化与热裂解炭化制备的稻秸炭(分别记为水热炭和热解炭)进行对比，并探讨两种稻秸炭对亚甲基蓝、Cu2+吸附性能的差异，为深入推进以废弃生物质为前驱体的水热炭化技术应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料制备

前处理：稻秸采集于浙江省嘉兴市近郊，经自然风干后粉碎，过60目筛，获取稻秸粉，105 ℃烘24 h，再置于干燥器内备用。

水热炭制备：称取15 g稻秸粉，加入超纯水150 mL，充分搅拌润湿后移入高压水热反应釜，密封后以450 ℃外温升至釜内温度达300 ℃，转为自动保温炭化120 min，停止加热，自然冷却至室温，小心移出釜内溶液及生物炭，用滤纸于砂芯漏斗中抽滤，并用超纯水反复冲洗至滤出液无色，取出生物炭连同滤纸105 ℃烘干后，获得水热炭。

热解炭制备：取稻秸粉50～100 g，用双层锡箔纸压实包紧，于马弗炉内500 ℃隔氧热解炭化240 min，自然冷却后打开锡箔纸小心去除少量浅色灰化部分，获得热解炭。

1.2 实验仪器

主要仪器包括250 mL高压水热反应釜(定制)、Nicolet iS10型FT-IR仪、

X’pert Pro MPD型XRD仪、S-4800N型SEM、Autosorb iQ型气体吸附分析仪、Z-2000型火焰原子吸收光谱仪。