Оптимизация целевого биоугля для адсорбции целевого иона тяжелого металла

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 13662 (2022 г.) Цитировать эту статью

1601 Доступов

6 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Цель этой работы — изучить условия пиролиза целевого биоугля, подходящего для целевого иона тяжелого металла, охарактеризовать оптимизированный целевой биоуголь и изучить характеристики адсорбции биоугля. При использовании Cu2+ и Zn2+ в качестве целевых загрязнителей условия пиролиза, участвующие в процессе приготовления, такие как температура пиролиза, время пиролиза и скорость нагрева, были оценены и оптимизированы с помощью дизайна Бокса-Бенкена (BBD), методологии поверхности отклика (RSM) и функции желательности. Получены оптимизированные условия пиролиза целевого биоугля по Cu2+ (Cu-BC) и Zn2+ (Zn-BC). Оптимальными параметрами пиролиза Cu-BC и Zn-BC были время пиролиза 3,09 и 2,19 ч, температура пиролиза 425,27 и 421,97 °С, скорость нагрева 19,65 и 15,88 °С/мин. Кинетика псевдовторого порядка и модель изотермы Ленгмюра оказались наиболее подходящими для равновесных данных: максимальная адсорбционная емкость (Qmax), подобранная моделью Ленгмюра, составила 210,56 мг/г для Cu2+ по Cu-BC и 223,32 мг/г. для Zn2+ с помощью Zn-BC, которые были выше, чем Qmax неоптимизированного биоугля (BC) для Cu2+ (177,66 мг/г) и Zn2+ (146,14 мг/г). Физические свойства, химическая структура, химические свойства поверхности Cu-BC и Zn-BC были охарактеризованы с помощью измерителя дзета-потенциала, сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (SEM-EDX), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). и рентгеновская дифракция (XRD). Это исследование открывает новую перспективу оптимизации целевого производства биоугля для особых экологических целей.

Биоуголь, своего рода стабильный богатый углеродом материал с высоким уровнем ароматизации, образующийся в результате пиролиза биомассы в условиях ограниченного содержания кислорода1,2. Биоуголь широко используется для восстановления ионов тяжелых металлов в водоемах благодаря своей уникальной пористой структуре, большой удельной площади поверхности и сложным поверхностно-активным функциональным группам, а также его большому потенциалу в адсорбции и удалении тяжелых металлов3,4. . Однако при практическом применении на эффективность адсорбции биоугля ионов тяжелых металлов влияют многие факторы, такие как вид биомассы, условия приготовления, pH, дозировка биоугля, время реакции, типы и концентрация ионов тяжелых металлов и т. д.3. Таким образом, изучение факторов, влияющих на адсорбцию тяжелых металлов биоуглем, полезно для улучшения эффекта адсорбции при практическом применении.

Хотя существует множество факторов, влияющих на эффективность адсорбции биоугля, для фиксированной биомассы и фиксированных ионов тяжелых металлов условия приготовления становятся одним из наиболее важных факторов. Условия приготовления биоугля в основном включают температуру пиролиза, время пиролиза и скорость нагрева, причем среди этих условий температура пиролиза оказывает значительное влияние на характеристики биоугля5,6,7. Температура пиролиза влияет на элементный состав, катионообменную способность, поверхностные кислородсодержащие функциональные группы, степень ароматизации, удельную поверхность, структуру пор и щелочность биоугля6,8. Исследования показали, что с повышением температуры пиролиза в биоугле снижается содержание водорода, серы, азота и других элементов, а также количество кислородсодержащих поверхностных функциональных групп, снижается катионообменная емкость и увеличивается степень ароматизации. Эти изменения неблагоприятны для адсорбции биоугля ионами тяжелых металлов. По мере повышения температуры удельная поверхность, пористая структура и щелочность биоугля увеличиваются, что способствует адсорбции ионов тяжелых металлов7,8,9,10,11. Время пиролиза в основном влияет на состав, удельную поверхность и пористую структуру биоугля, тогда как скорость нагрева в основном влияет на выход биоугля12,13,14. Эти свойства биоугля влияют на адсорбционные характеристики биоугля, но эти свойства необходимо охарактеризовать с помощью соответствующего инструмента. Традиционный процесс производства биоугля заключается в следующем: пиролиз, затем характеристика и, наконец, применение. Роль характеристики в основном используется для оценки эффективности биочара. В настоящее время оценка эффективности адсорбции биоугля в основном сосредоточена на функциональных группах, структуре поверхности, пористости, удельной площади поверхности и так далее15,16. Хотя эти характеристики хороши для оценки эффективности адсорбции биоугля, для анализа этих характеристик требуется современное оборудование. Если охарактеризовать биоугли, полученные при всех условиях приготовления, стоимость анализа слишком высока и экономически нецелесообразна. Следовательно, необходимо найти некоторые индикаторы, которые просты в использовании, требуют меньше времени на определение характеристик, имеют низкую стоимость и могут напрямую отражать адсорбционную способность биоугля на загрязняющих веществах, чтобы судить о характеристиках адсорбции. При применении биоугля для адсорбции ионов тяжелых металлов функция биоугля заключается в адсорбции и удалении ионов тяжелых металлов. Следовательно, если в качестве целевого загрязнителя принимается конкретный ион тяжелого металла, адсорбционная способность биоугля к целевому загрязнителю принимается в качестве показателя для исследования условий получения биоугля. Мы характеризуем биоуголь только с самой сильной адсорбционной способностью, что позволяет не только уменьшить количество охарактеризованных образцов, снизить стоимость, но также более интуитивно отразить адсорбционную способность биоугля целевых загрязнителей и, наконец, получить биоуголь с лучшей адсорбционной способностью. такого рода ионы тяжелых металлов. Ионы разных тяжелых металлов обладают разными свойствами. Следовательно, для определенного биоугля его эффективность адсорбции для разных ионов тяжелых металлов различна. Для одного и того же биоугля, хотя он и может адсорбировать ионы тяжелых металлов в воде, его эффективность адсорбции различных ионов тяжелых металлов различна, поэтому адсорбционная способность некоторых ионов тяжелых металлов ограничена, а селективность адсорбции плохая4. Поэтому мы предложили концепцию целевого биоугля для целевого иона тяжелого металла. В предыдущем исследовании авторов оптимальные условия приготовления биоугля были исследованы в зависимости от адсорбционной способности Cd2+ и Pb2+, и исследования показали, что разные ионы тяжелых металлов соответствуют различным условиям приготовления биоугля, которые мы назвали целевым биоуглем17,18. . Чтобы еще раз доказать правильность этой точки зрения, в этом исследовании Cu2+ и Zn2+ использовались в качестве целевых загрязнителей, водный гиацинт в качестве материала биомассы для биоугля, а также применялись методологии поверхности отклика (RSM) для оптимизации условий приготовления (температура пиролиза, время пиролиза и скорость нагрева), которые влияют на эффективность адсорбции биоугля, и целевой биоуголь BC-Cu (биоуголь для Cu2+) и BC-Zn (биоуголь для Zn2+) были получены соответственно. Необходимо охарактеризовать только BC-Cu и BC-Zn, что значительно сокращает количество образцов для определения характеристик и стоимость производства. Изучены кинетика и изотермы адсорбции целевых биоуглей целевых ионов тяжелых металлов. Это исследование обеспечивает теоретическую и техническую поддержку для приготовления целевого биоугля для удаления целевых загрязнителей. Предлагаемый метод удаления целевых ионов тяжелых металлов с помощью целевого биоугля может не только сэкономить биомассу, время и затраты на производство биоугля, но также только охарактеризовать целевой биоуголь, чтобы уменьшить количество характеристик, тем самым снижая стоимость характеристики. Что еще более важно, с точки зрения конечного эффекта удаления целевые ионы тяжелых металлов соответствуют целевому биоуглю, который имеет лучший эффект удаления по сравнению с традиционным методом приготовления биоугля. Таким образом, это исследование обеспечивает теоретическое руководство и техническую поддержку для «точного контроля загрязняющих веществ» биоугля.