槟榔渣生物炭对水中亚甲基蓝的吸附特性及机制

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0425

工业水处理 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (3): 55-63. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2022-0425

槟榔渣生物炭对水中亚甲基蓝的吸附特性及机制

陈佼¹^,²(), 李晓媛¹, 刘钰洁², 陆一新¹^,²^,³()

^1.成都工业学院材料与环境工程学院, 四川成都 611730
^2.西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川成都 611756
^3.国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室, 四川成都 610059

收稿日期:2023-01-05 出版日期:2023-03-20 发布日期:2023-03-21
通讯作者: 陆一新 E-mail:401603414@qq.com;yxlu61@163.com
作者简介:陈佼（1987— ），博士，副教授。E-mail：401603414@qq.com
陆一新，博士，教授。E-mail：yxlu61@163.com。
基金资助:
国家自然科学基金项目(21705133);国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室开放基金项目(GHBK-2021-004);四川省科技计划项目(2022YFG0307);国家级大学生创新训练计划项目(202211116025)

Adsorption characteristics and mechanism of methylene blue in aqueous solution by areca residue biochar

Jiao CHEN¹^,²(), Xiaoyuan LI¹, Yujie LIU², Yixin LU¹^,²^,³()

^1.School of Materials and Environmental Engineering，Chengdu Technological University，Chengdu 611730，China
^2.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China
^3.State Environmental Protection Key Laboratory of Synergetic Control and Joint Remediation for Soil & Water Pollution，Chengdu 610059，China

Received:2023-01-05 Online:2023-03-20 Published:2023-03-21
Contact: Yixin LU E-mail:401603414@qq.com;yxlu61@163.com

摘要/Abstract

摘要：

分别在300、500、700 ℃条件下对废弃槟榔渣进行慢速热解180 min制得槟榔渣生物炭ARB₃₀₀、ARB₅₀₀、ARB₇₀₀，探讨了其对水中亚甲基蓝（MB）的吸附性能及动力学、热力学特征，并通过电镜扫描、比表面积分析、红外光谱分析等手段对吸附机制进行了解析。结果表明，当溶液初始pH为9，ARB₃₀₀、ARB₅₀₀、ARB₇₀₀投加质量浓度分别为1.0、0.7、0.5 g/L时，MB去除率均高于95%。准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型能更真实地反映MB在ARB上的吸附行为特征，该吸附行为符合单分子层化学吸附规律。热力学分析表明，吸附反应的 $Δ$ G<0， $Δ$ H>0， $Δ$ S>0，反映出ARB对MB的吸附是自发、吸热且熵驱动的过程。具体吸附机制涉及静电引力、孔隙填充、π-π作用、氢键作用等。ARB₇₀₀对MB的理论最大吸附量达86.51~97.78 mg/g，分别比ARB₃₀₀、ARB₅₀₀相应的值提高了72.54%~85.37%、6.31%~8.30%，可作为废水中MB的高效吸附材料。

关键词: 生物炭, 槟榔渣, 热解温度, 亚甲基蓝, 吸附机制

Abstract:

Wasted areca residue biochars ARB₃₀₀，ARB₅₀₀ and ARB₇₀₀ were produced by slow pyrolysis of waste areca residue at 300，500 and 700 ℃ for 180 min，respectively. Their adsorption properties，kinetics and thermodynamic characteristics for MB in aqueous solution were explored. The adsorption mechanism was discussed by SEM，BET and FTIR analysis. The results indicated that the MB removal rate was higher than 95% when the initial solution pH was 9 and the ARB₃₀₀，ARB₅₀₀ and ARB₇₀₀dosage were 1.0，0.7 and 0.5 g/L，respectively. The quasi second-order kinetic model and Langmuir isothermal adsorption model could more truly reflect the adsorption behavior characteristics of MB on ARB，which was in line with the law of monolayer chemical adsorption. Thermodynamic analysis showed that the adsorption reaction $Δ$ G<0， $Δ$ H>0， $Δ$ S>0，reflecting that the adsorption of MB by ARB was a spontaneous，endothermic and entropy driven process. The specific adsorption mechanisms included electrostatic gravitation，pore filling，π-π bonding and hydrogen bonding，etc. The theoretical maximum MB adsorption capacity of ARB₇₀₀ was up to 86.51-97.78 mg/g，which was 72.54%-85.37% and 6.31%-8.30% higher than that of ARB₃₀₀ and ARB₅₀₀ respectively. It could be considered as a high-performance adsorption material for eliminating MB from wastewater.

Key words: biochar, areca residue, pyrolysis temperature, methylene blue, adsorption mechanism

中图分类号:

X703.1

陈佼, 李晓媛, 刘钰洁, 陆一新. 槟榔渣生物炭对水中亚甲基蓝的吸附特性及机制[J]. 工业水处理, 2023, 43(3): 55-63.

Jiao CHEN, Xiaoyuan LI, Yujie LIU, Yixin LU. Adsorption characteristics and mechanism of methylene blue in aqueous solution by areca residue biochar[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(3): 55-63.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I3/55

图/表 12

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生物炭	q_e，exp	准一级动力学模型			准二级动力学模型			Elovich模型
生物炭	q_e，exp	q_e	k₁	R²	q_e	k₂	R²	a	k₃	R²
ARB₃₀₀	45.70	42.66	0.098 8	0.936 8	45.96	0.003 1	0.987 6	13.68	6.157 2	0.892 1
ARB₅₀₀	69.61	65.80	0.139 2	0.873 4	69.78	0.003 2	0.994 2	31.34	7.456 3	0.898 0
ARB₇₀₀	76.30	73.00	0.162 4	0.803 1	76.79	0.003 6	0.974 5	40.01	7.185 4	0.892 4

生物炭	q_e，exp	准一级动力学模型			准二级动力学模型			Elovich模型
生物炭	q_e，exp	q_e	k₁	R²	q_e	k₂	R²	a	k₃	R²
ARB₃₀₀	45.70	42.66	0.098 8	0.936 8	45.96	0.003 1	0.987 6	13.68	6.157 2	0.892 1
ARB₅₀₀	69.61	65.80	0.139 2	0.873 4	69.78	0.003 2	0.994 2	31.34	7.456 3	0.898 0
ARB₇₀₀	76.30	73.00	0.162 4	0.803 1	76.79	0.003 6	0.974 5	40.01	7.185 4	0.892 4

生物炭	阶段Ⅰ			阶段Ⅱ			阶段Ⅲ
生物炭	b₁	k₄₁	R²	b₂	k₄₂	R²	b₃	k₄₃	R²
ARB₃₀₀	6.30	6.166 6	0.955 7	35.32	0.661 0	0.970 6	37.29	0.514 9	0.872 3
ARB₅₀₀	24.59	6.770 9	0.917 7	50.82	1.721 8	0.990 3	63.76	0.336 4	0.997 7
ARB₇₀₀	32.96	6.631 9	0.991 2	62.14	1.255 8	0.932 4	71.79	0.280 5	0.756 8

生物炭	阶段Ⅰ			阶段Ⅱ			阶段Ⅲ
生物炭	b₁	k₄₁	R²	b₂	k₄₂	R²	b₃	k₄₃	R²
ARB₃₀₀	6.30	6.166 6	0.955 7	35.32	0.661 0	0.970 6	37.29	0.514 9	0.872 3
ARB₅₀₀	24.59	6.770 9	0.917 7	50.82	1.721 8	0.990 3	63.76	0.336 4	0.997 7
ARB₇₀₀	32.96	6.631 9	0.991 2	62.14	1.255 8	0.932 4	71.79	0.280 5	0.756 8

生物炭	T/K	Langmuir模型			Freundlich模型			Temkin模型
生物炭	T/K	q_m	K_L	R²	1/n	K_F	R²	c	K_T	R²
ARB₃₀₀	298	46.67	2.196 9	0.963 7	0.0173	43.062 2	0.822 7	4.178 3	0.257 4	0.875 3
	308	53.16	2.102 1	0.962 4	0.0213	48.194 1	0.687 4	48.036 3	1.116 8	0.696 6
	318	56.67	4.070 9	0.981 6	0.0165	52.723 7	0.761 1	52.637 7	0.922 7	0.768 6
ARB₅₀₀	298	79.88	1.141 9	0.993 7	0.0689	59.423 4	0.745 9	57.848 6	5.164 8	0.780 0
	308	86.23	1.243 6	0.979 5	0.0797	61.886 2	0.824 7	60.145 9	6.314 8	0.857 2
	318	91.98	1.822 4	0.982 5	0.0762	67.580 1	0.787 0	66.209 8	6.431 8	0.823 6
ARB₇₀₀	298	86.51	2.958 7	0.958 2	0.0616	67.688 7	0.776 7	66.995 3	4.945 0	0.804 3
	308	91.79	4.153 6	0.984 3	0.0639	71.735 6	0.799 1	71.187 4	5.414 3	0.833 9
	318	97.78	10.047 5	0.964 6	0.0571	79.366 4	0.722 7	79.221 5	5.213 9	0.767 6

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槟榔渣生物炭对水中亚甲基蓝的吸附特性及机制

Adsorption characteristics and mechanism of methylene blue in aqueous solution by areca residue biochar

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吸附剂	q_m/（mg·g^-1）	参考文献
改性花生壳	174.90	〔21〕
纳米磁性氧化铁	6.98	〔22〕
稻壳炭	6.62	〔23〕
水稻秸秆生物炭	31.36	〔24〕
小麦秸秆生物炭	31.82	〔24〕
芦苇秸秆生物炭	28.23	〔24〕
ARB₃₀₀	56.67	本研究
ARB₅₀₀	91.98	本研究
ARB₇₀₀	97.78	本研究

生物炭	ΔG/（kJ·mol^-1）			ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（kJ·mol^-1·K^-1）
生物炭	298 K	308 K	318 K	ΔH/（kJ·mol^-1）	ΔS/（kJ·mol^-1·K^-1）
ARB₃₀₀	-1.918 1	-2.572 6	-3.463 4	21.610 7	0.080 8
ARB₅₀₀	-5.793 6	-7.188 1	-9.415 6	38.119 0	0.149 1
ARB₇₀₀	-7.897 4	-10.654 3	-12.765 0	44.012 0	0.178 2

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槟榔渣生物炭对水中亚甲基蓝的吸附特性及机制

Adsorption characteristics and mechanism of methylene blue in aqueous solution by areca residue biochar

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