不同生物炭的制备及其对重金属和抗生素的吸附性能

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-1207

摘要/Abstract

摘要：

选用咖啡渣、核桃壳、水葫芦和椰壳为原材料，在不同热解温度下制备生物炭，并对含Cu、Zn、土霉素（OTC）、环丙沙星（CIP）和多西环素（DOX）的模拟废水进行净化处理。结果表明，700 ℃为生物炭的最佳热解温度，水葫芦生物炭（SBC700）对单一重金属Cu和Zn的吸附效果最好，椰壳生物炭（YBC700）对单一抗生素OTC、CIP和DOX具有较强的吸附效果，4种生物炭对单一重金属或抗生素的吸附行为均为化学吸附。以水葫芦和椰壳为原材料在700 ℃下制备复合生物炭，并研究其对Cu、Zn和1种抗生素复合污染物的吸附效果。复合生物炭有利于提升对复合污染体系中Cu和抗生素的吸附效果；停留时间越长，复合生物炭对Cu和Zn的去除效果越好，对3种抗生素去除效果影响不显著；综合考虑经济效益和去除效果，复合生物炭的最优投加量为2.5 g/L；随pH增加，复合生物炭对Cu、Zn的吸附量也逐渐增加，在pH=6时最大吸附量分别达到1.90、8.40 mg/g，pH对OTC、CIP和DOX吸附量无明显影响，平均去除率都高于88%。在热解温度700 ℃下制备的水葫芦和椰壳复合生物炭综合性质较佳，为生物炭吸附重金属和抗生素复合污染提供了新思路。

关键词: 抗生素, 生物炭, 重金属, 吸附

Abstract:

Coffee grounds, walnut shells, water hyacinth and coconut shells were used as raw materials to prepare biochars at different pyrolysis temperatures, and the simulated wastewater containing Cu, Zn, OTC, CIP, and DOX was purified. The results showed that 700 ℃ was the optimal pyrolysis temperature for biochar, and water hyacinth biochar(SBC700) had the best adsorption effect on single heavy metal Cu and Zn. Coconut shell biochar(YBC700) had a strong adsorption effect on single antibiotic OTC, CIP, and DOX. The adsorption behaviors of four biochars on single heavy metal and antibiotic were chemical adsorption. Composite biochar was prepared from SBC and YBC at 700 ℃, and its adsorption effect on Cu, Zn and one antibiotic compound contaminant was studied. Composite biochar was beneficial for enhancing the adsorption efficiecy of Cu and antibiotics in compound contaminant systems. The longer the residence time, the better the removal effect of composite biochar on Cu and Zn, and the effect on three antibiotics was no significant. Considering the economic benefits and removal effects, the optimal dosage of composite biochar was 2.5 g/L. The adsorption capacity of biochar for Cu and Zn also increased gradually with the increase of pH, which was 1.90 mg/g and 8.40 mg/g at pH 6, respectively. There was no significant change in the adsorption capacity of biochar for OTC, CIP, and DOX, and the average removal rates were higher than 88%. The water hyacinth and coconut shell composite biochar prepared at the pyrolysis temperature of 700 ℃ had the best comprehensive properties, which provided a new idea for the adsorption of heavy metals and antibiotic compound pollution.

Key words: antibiotic, biochar, heavy metals, adsorption

中图分类号:

TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2025/V45/I1/94

图/表 17

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生物炭	元素质量分数/%				元素物质的量比			灰分质量分数/%	生物炭产率/%	pH
生物炭	C	H	N	O	H/C	O/C	（O+N）/C	灰分质量分数/%	生物炭产率/%	pH
KBC300	56.68	3.74	3.07	31.20	0.79	0.41	0.46	1.21	46.7	5.67
KBC500	55.89	1.80	3.10	33.61	0.39	0.45	0.50	1.55	20.0	6.89
KBC700	54.28	1.17	2.50	36.18	0.26	0.50	0.54	1.78	15.7	6.94
HBC300	53.89	2.76	0.47	36.25	0.61	0.50	0.51	2.03	45.1	6.98
HBC500	59.25	1.84	0.49	30.92	0.37	0.39	0.40	2.89	27.9	7.62
HBC700	63.10	1.06	0.45	27.32	0.20	0.32	0.33	3.44	18.3	8.90
SBC300	34.92	1.92	3.98	49.24	0.66	1.06	1.16	4.04	53.2	9.82
SBC500	29.95	0.74	2.97	55.19	0.30	1.38	1.47	5.22	35.9	10.24
SBC700	69.83	0.73	2.63	13.34	0.13	0.14	0.18	7.58	22.3	10.55
YBC300	53.58	2.65	0.16	37.32	0.59	0.52	0.52	1.95	41.0	7.13
YBC500	61.07	1.62	0.18	30.24	0.32	0.37	0.37	2.47	25.7	10.05
YBC700	70.07	0.76	0.20	21.13	0.13	0.23	0.23	3.28	16.7	10.34

生物炭	元素质量分数/%				元素物质的量比			灰分质量分数/%	生物炭产率/%	pH
生物炭	C	H	N	O	H/C	O/C	（O+N）/C	灰分质量分数/%	生物炭产率/%	pH
KBC300	56.68	3.74	3.07	31.20	0.79	0.41	0.46	1.21	46.7	5.67
KBC500	55.89	1.80	3.10	33.61	0.39	0.45	0.50	1.55	20.0	6.89
KBC700	54.28	1.17	2.50	36.18	0.26	0.50	0.54	1.78	15.7	6.94
HBC300	53.89	2.76	0.47	36.25	0.61	0.50	0.51	2.03	45.1	6.98
HBC500	59.25	1.84	0.49	30.92	0.37	0.39	0.40	2.89	27.9	7.62
HBC700	63.10	1.06	0.45	27.32	0.20	0.32	0.33	3.44	18.3	8.90
SBC300	34.92	1.92	3.98	49.24	0.66	1.06	1.16	4.04	53.2	9.82
SBC500	29.95	0.74	2.97	55.19	0.30	1.38	1.47	5.22	35.9	10.24
SBC700	69.83	0.73	2.63	13.34	0.13	0.14	0.18	7.58	22.3	10.55
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YBC700	70.07	0.76	0.20	21.13	0.13	0.23	0.23	3.28	16.7	10.34

重金属	生物炭	准一级反应动力学			准二级反应动力学
重金属	生物炭	q _e，1/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	R ²	q _e，2/（mg·g^-1）	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
Cu	KBC700	6.577	0.033 4	0.884	7.103	0.006 3	0.953
	HBC700	6.854	0.040 5	0.904	7.270	0.008 5	0.954
	SBC700	6.911	0.073 5	0.733	7.190	0.019 4	0.876
	YBC700	6.734	0.037 3	0.953	7.190	0.007 4	0.981
Zn	KBC700	24.233	0.028 2	0.989	26.012	0.001 5	0.987
	HBC700	15.880	0.031 5	0.859	16.961	0.002 7	0.956
	SBC700	25.320	0.023 5	0.958	27.346	0.001 1	0.970
	YBC700	5.341	0.030 1	0.918	5.715	0.007 6	0.982

重金属	生物炭	准一级反应动力学			准二级反应动力学
重金属	生物炭	q _e，1/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	R ²	q _e，2/（mg·g^-1）	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
Cu	KBC700	6.577	0.033 4	0.884	7.103	0.006 3	0.953
	HBC700	6.854	0.040 5	0.904	7.270	0.008 5	0.954
	SBC700	6.911	0.073 5	0.733	7.190	0.019 4	0.876
	YBC700	6.734	0.037 3	0.953	7.190	0.007 4	0.981
Zn	KBC700	24.233	0.028 2	0.989	26.012	0.001 5	0.987
	HBC700	15.880	0.031 5	0.859	16.961	0.002 7	0.956
	SBC700	25.320	0.023 5	0.958	27.346	0.001 1	0.970
	YBC700	5.341	0.030 1	0.918	5.715	0.007 6	0.982

抗生素	生物炭	准一级反应动力学			准二级反应动力学
抗生素	生物炭	q _e，1/（mg·g^-1）	k ₁/min^-1	R ²	q _e，2/（mg·g^-1）	k ₂/（g·mg^-1·min^-1）	R ²
OTC	KBC700	3.690	0.014 7	0.965	4.063	0.004 5	0.993
	HBC700	5.737	0.015 0	0.983	6.255	0.003 1	0.992
	SBC700	4.986	0.022 1	0.973	5.391	0.005 4	0.985
	YBC700	6.282	0.034 1	0.859	6.684	0.007 6	0.957
CIP	KBC700	4.352	0.007 2	0.983	4.961	0.001 7	0.991
	HBC700	4.427	0.027 9	0.953	4.703	0.008 7	0.962
	SBC700	4.586	0.020 8	0.982	4.979	0.005 4	0.987
	YBC700	4.364	0.034 5	0.873	4.651	0.010 9	0.968
DOX	KBC700	1.359	0.020 1	0.879	1.477	0.018 1	0.973
	HBC700	1.346	0.021 8	0.813	1.445	0.021 7	0.929
	SBC700	1.660	0.029 1	0.975	1.773	0.023 3	0.985
	YBC700	1.870	0.027 6	0.875	1.991	0.020 6	0.957

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