Study on the adsorption performance of sulfathiazole by Coffea Arabica L. husk-derived biochar

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0485

Abstract

Abstract:

To solve the problem of antibiotic pollution in water bodies， biochar MCS-1 was prepared by oxygen-limited lysis at 500 ℃ using Coffea Arabica L. husk as raw material， and then MCS-1 was modified with KOH and H₂SO₄ to prepare modified biochar MCS-2 and MCS-3， respectively. The adsorption characteristics and mechanism of the three biochars on sulfathiazole （ST） were investigated. The experimental results showed that the biochars all had multi-layered pore structures， MCS-2 and MCS-3 had more developed pore structures and specific surface areas than the unmodified biochar MCS-1. The adsorption of ST by all biochars was consistent with the pseudo-second-order kinetic model and Freundlich model， indicating that the adsorption process was mainly physicochemical and the adsorption rate was mainly controlled by film diffusion. Isothermal adsorption and adsorption thermodynamics indicated that the adsorption of ST by the biochars was spontaneous and multilayer. The maximum adsorption amounts of MCS-1， MCS-2 and MCS-3 on ST were 0.77， 1.12 and 0.47 mg/g at 298 K， respectively. The maximum adsorption of ST by three biochars were reached at pH 2， indicating that the adsorption of ST was suitable under acidic conditions. The adsorption effect of alkali-modified coffee husk biochar （MCS-2） on ST was better than that of unmodified MCS-1 and acid-modified MCS-3 biochar.

Key words: Coffea Arabica L., biochar, adsorption, sulfathiazole

摘要：

针对水体中存在的抗生素污染现象，以小粒咖啡果壳为原料，采用限氧裂解法在500 ℃下制备了生物炭MCS-1，随后分别用KOH和H₂SO₄改性MCS-1，制得改性生物炭MCS-2和MCS-3，研究了3种生物炭对磺胺噻唑（ST）的吸附特性和吸附机理。实验结果表明：3种生物炭均具有多层级孔隙结构，与未改性生物炭MCS-1相比，MCS-2和MCS-3具有更发达的孔道结构和比表面积。3种生物炭对ST的吸附均符合准二级动力学模型和Freundlich模型，表明吸附过程主要为物理化学作用，且吸附速率主要受薄膜扩散控制。等温吸附和吸附热力学表明3种生物炭对ST的吸附是自发进行的多层吸附。在298 K时，MCS-1、MCS-2、MCS-3对ST的最大吸附量分别为0.77、1.12、0.47 mg/g；pH为2时，3种生物炭对ST的吸附量均达到最大，表明对ST的吸附适合在酸性环境下进行。碱改性后的咖啡果壳生物炭（MCS-2）对ST吸附效果较未改性的MCS-1和酸改性的MCS-3生物炭强。

关键词: 小粒咖啡, 生物炭, 吸附, 磺胺噻唑

CLC Number:

TQ424

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https://www.iwt.cn/EN/Y2023/V43/I4/130

Figures/Tables 15

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项目	BET比表面积/（m²·g^-1）	总孔体积/（cm³·g^-1）	微孔体积/（cm³·g^-1）	平均孔径/nm
CS	0.276	6.45×10^-4	0.001	7.33
MCS-1	0.931	4.07×10^-3	0.003	17.47
MCS-2	19.959	3.66×10^-2	0.031	9.35
MSC-3	3.038	3.74×10^-3	0.006	10.18

项目	BET比表面积/（m²·g^-1）	总孔体积/（cm³·g^-1）	微孔体积/（cm³·g^-1）	平均孔径/nm
CS	0.276	6.45×10^-4	0.001	7.33
MCS-1	0.931	4.07×10^-3	0.003	17.47
MCS-2	19.959	3.66×10^-2	0.031	9.35
MSC-3	3.038	3.74×10^-3	0.006	10.18

生物炭	质量分数/%										O/C
生物炭	C	O	Na	Mg	Si	P	S	Cl	K	Ca	O/C
MCS-1	39.01	33.21	—	0.64	0.22	—	—	1.34	25.58	—	0.85
MCS-2	64.02	21.16	0.44	1.91	—	0.94	—	0.8	7.79	2.76	0.33
MCS-3	70.16	23.81	—	0.88	—	0.13	0.61	0.9	0.84	2.66	0.34

生物炭	质量分数/%										O/C
生物炭	C	O	Na	Mg	Si	P	S	Cl	K	Ca	O/C
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MCS-2	64.02	21.16	0.44	1.91	—	0.94	—	0.8	7.79	2.76	0.33
MCS-3	70.16	23.81	—	0.88	—	0.13	0.61	0.9	0.84	2.66	0.34

生物炭	q_e，exp/ （mg·g^-1）	准一级动力学模型			准二级动力学模型
生物炭	q_e，exp/ （mg·g^-1）	k₁/h^-1	q_e/ （mg·g^-1）	R²	k₂/（g·mg^-1·h^-1）	q_e/（mg·g^-1）	R²
MCS-1	0.77	0.290 1	0.44	0.565 6	130.297 4	0.74	0.999 3
MCS-2	1.12	0.183 7	0.10	0.273 1	26.934 4	1.04	0.998 6
MCS-3	0.47	0.144 1	0.62	0.145 8	8.689 4	0.45	0.998 2

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