农业废弃物变身高效吸附剂：玉米秸秆皮生物炭处理印染废水研究取得新突破

在我国东北地区，玉米秸秆资源丰富，但玉米秸秆皮的利用却一直是个难题。由于其表面有蜡质层，作为建筑板材原料需要额外处理，导致成本较高。然而，一项研究表明，这种“鸡肋”的农业废弃物经过简单热解处理，可变成吸附性能优异的生物炭，为印染废水处理提供新方案。

一、生物炭制备：温度和时间是关键

      研究人员以玉米秸秆皮为原料，在自制固定床反应器中进行快速热解制备生物炭。通过系统研究炭化温度（500-700℃）和炭化时间（10-30分钟）对生物炭产率与物理性质的影响，发现了最佳制备条件。

      随着炭化温度升高和时间延长，生物炭产率逐渐下降。但当炭化温度为600℃、炭化时间为30分钟时，制备出的生物炭性能最优——比表面积高达146.89m?/g，孔容为0.098m?/g，为吸附污染物提供了充足的表面积和空间。

 

图 2 炭化条件对生物炭比表面积的影响

二、微观结构揭示吸附奥秘

      通过扫描电镜观察发现，不同炭化温度下制备的生物炭表面形貌差异显著。

 

a 为炭化温度 500 ℃；b 为炭化温度 550 ℃；c 为炭化温度 600 ℃；d 为炭化温度 650 ℃；e 为炭化温度 700 ℃。

图 3 炭化温度对玉米秸秆皮生物炭表观形貌的影响

      500℃时生物炭表面光滑，孔洞结构不明显；而600℃时表面形成丰富、大小不一的微孔；温度继续升高至700℃时，生物炭表面出现破碎大孔，结构变得杂乱。这解释了为什么600℃时吸附效果最佳——恰到好处的微孔结构为吸附提供了理想场所。

      傅里叶红外光谱分析进一步显示，生物炭表面含有丰富的含氧官能团（羟基、羧基等）和芳香结构，这些官能团通过与亚甲基蓝分子的相互作用，显著增强了吸附效果。

三、吸附性能优异，废水处理潜力大

      在吸附实验中，研究人员评估了生物炭对印染废水中常见的亚甲基蓝染料的去除效果。

 

图 6 不同条件下生物炭对亚甲基蓝吸附性能的影响

      实验结果表明，在最佳制备条件（600℃、30分钟）下，生物炭对亚甲基蓝的吸附容量和吸附率均达到最大值，分别为32.57mg/g和61.07%。与500℃、10分钟条件下制备的生物炭相比，吸附率提高了43.33个百分点。

 

图 7 吸附时间对亚甲基蓝吸附性能的影响

      吸附动力学研究表明，生物炭对亚甲基蓝的吸附在180分钟内达到平衡，且遵循准二级动力学模型，表明吸附过程同时包含物理吸附和化学吸附。根据模型拟合，最大吸附量可达37.888mg/g。

四、应用前景广阔

      这项研究为玉米秸秆皮的高值化利用开辟了新途径。与传统处理方法相比，生物炭吸附法具有投资成本低、工艺简单、环境友好等优势，在纺织、造纸、印刷等行业的废水处理中具有广阔应用前景。

      未来，通过进一步优化制备工艺和改性处理，玉米秸秆皮生物炭的吸附性能有望进一步提升，为实现印染废水高效低成本处理提供可靠技术支撑。