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省科学院石油与精细化工院:以废治废,利用高含氧木质素基生物炭吸附去除重金属

来源: 时间:2020-07-01

  近日,广东省科学院石油与精细化工研究院陈佳志博士团队,在高含氧木质素基生物炭的制备及其重金属吸附应用研究中取得进展,相关研究成果A lignin-biochar with high oxygen-containing groups for adsorbing lead ion prepared by simultaneous oxidization and carbonization发表在《Bioresource Technology》。

  随着城市化进程和工农业发展的加速,特别是矿冶、化工、电子等工业生产和畜禽养殖过程中,大量含铅、镉、汞、铬、砷、铜、镍、锌等重金属的废水未经适当处理直接排放,造成水体污染,严重威胁生态环境和人类健康,成为全球性环境问题。在众多污水处理方法中,吸附法因其操作简便、处理容量大,能够快速高效地处理低浓度重金属废水,受到学术界和产业界的广泛关注。

  近些年,生物炭作为一种来源广泛、低价且高效的新型炭材料,富含羟基、羰基、羧基、氨基、磺酸基等含氧、含氮、含硫活性官能团,在环境修复领域备受关注。生物炭的工程化应用,一方面取决于其对环境污染物的吸附性能,另一方面取决于其性价比和环境友好性,这很大程度上由制备生物炭的原料和条件决定。生物炭通常以秸秆、果壳、动物粪便、污泥、餐厨垃圾等农林和生活的废弃生物质为原料,在300-900 oC高温炉中控氧热解、气化,或150-250 oC高压釜中水热碳化制备。然而,由于高温下易发生热分解-再聚合反应,控氧环境下氧化不充分,所制备的生物炭通常表现出含氧活性官能团较低,重金属离子吸附性能不高(50-300 mg/g)。  

  为此,团队研发了一种低温溶液法氧化碳化制备高含氧木质素基生物炭吸附材料,以造纸废液碱木质素、木质素磺酸盐为原料,210 oC硫酸回流处理6 h,一步氧化碳化得到高含氧生物炭,其酸性含氧官能团(羧基、酚羟基)含量达到8.64 mmol/g。在pH=5.530 oC条件下,该生物炭对铅离子(Pb2+)的饱和吸附量高达679 mg/g,且展现出在高吸附量(570 mg/g)时保持高去除率(>99%)的能力,显著优于大多数碳基吸附材料。此外,研究显示,硫酸氧化碳化过程断裂了木质素C-O-C键,增加了酚羟基、羧基和芳构化程度,其羧基与Pb2+吸附量成正比例关系。

  该项工作得到了国家自然科学基金项目、广东省科学院战略性先导科技专项等资助。

  

  

  全文链接:

   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852420304363

   

  (省科学院石油与精细化工院 李媛、陈佳志/供稿)

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