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硼酸改性咖啡渣生物炭对磺胺甲噁唑的吸附研究

殷景瑶 ,  魏红 ,  潘峰 ,  张泽慧 ,  谢舒婕

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S1) : 175 -183.

PDF (4710KB)
现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (S1) : 175-183. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.030
科研与开发

硼酸改性咖啡渣生物炭对磺胺甲噁唑的吸附研究

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Adsorption of sulfamethoxazole by boric acid modified coffee ground biochar

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摘要

硼酸(H3BO3)与咖啡渣质量比1∶1,700℃热解制备生物炭B-BC700-1,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)和X射线光电子(XPS)等方法对B-BC700-1进行表征,分析H3BO3对生物炭结构特性的影响,探究B-BC700-1对磺胺甲噁唑(Sulfamethoxazole,SMX)的吸附性能和机理。结果表明,与咖啡渣原始生物炭(BC)相比,B-BC700-1具有较大比表面积和孔径(SBET和Vtot由326.23 m2/g和0.121 cm3/g增至646.97 m2/g和0.447 cm3/g),B-BC700-1能够有效吸附SMX,当投加量为1.5 g/L、吸附时间240 min时,SMX的吸附率达到100%,吸附量为7.80 mg/g,高于BC的吸附量(1.07 mg/g)。B-BC700-1对SMX的吸附过程符合准二级动力学和Freundlich等温线模型,表明吸附过程以化学吸附和非均质多层吸附为主;孔隙填充、π-π共轭和静电吸附是B-BC700-1吸附SMX的主要机制。共存离子($C{\mathrm{O}}_{3}^{2-}$、$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$P{\mathrm{O}}_{4}^{-}$)对SMX的去除率与无外加阴离子时相比有所下降。吸附-解吸4次后对SMX的去除率仍保持在80%以上。H3BO3改性咖啡渣可有效提高对水中SMX的处理效率。

Abstract

Boric acid (H3BO3) and coffee grounds were mixed in a mass ratio of 1∶1 and pyrolyzed at 700℃ to prepare biochar B-BC700-1.The structure and properties of B-BC700-1 were characterized by scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction (XRD),Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR),and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).The effects of H3BO3 on the structural characteristics of biochar were analyzed,and the adsorption performance and mechanism of B-BC700-1 for sulfamethoxazole (SMX) were investigated.The results showed that compared with the original coffee grounds biochar (BC),B-BC700-1 had a larger specific surface area and pore size (SBET and pore size increased from 326.23 m2/g and 0.121 cm3/g to 646.97 m2/g and 0.447 cm3/g).B-BC700-1 could effectively adsorb SMX.When the dosage was 1.5 g/L and the adsorption time was 240 min,the adsorption rate of SMX reached 100% and the adsorption capacity was 7.80 mg/g,which was higher than that of BC (1.07 mg/g).The adsorption process of B-BC700-1 for SMX conformed to the pseudo-second-order kinetics and Freundlich isotherm model,indicating that the adsorption process was mainly chemical adsorption and heterogeneous multilayer adsorption.Pore filling,π-π conjugation and electrostatic adsorption were the main mechanisms of SMX adsorption by B-BC700-1.The removal rate of SMX in the presence of coexisting ions ($C{\mathrm{O}}_{3}^{2-}$,$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$,$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$,$P{\mathrm{O}}_{4}^{-}$) was lower than that without added anions.After four adsorption-desorption cycles,the removal rate of SMX remained above 80%.H3BO3-modified coffee grounds can effectively improve the treatment efficiency of water containing SMX.

Graphical abstract

关键词

咖啡渣生物炭 / 硼酸 / 磺胺甲噁唑 / 改性 / 吸附

Key words

coffee residue biochar / boric acid / sulfamethoxazole / modification / adsorption

引用本文

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殷景瑶,魏红,潘峰,张泽慧,谢舒婕. 硼酸改性咖啡渣生物炭对磺胺甲噁唑的吸附研究[J]. 现代化工, 2026, 46(S1): 175-183 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.S1.030

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磺胺甲噁唑(Sulfamethoxazole,SMX)是废水中检出浓度最高的抗生素之一[1],检出浓度在ng/L~mg/L范围内[2]。如越南某养殖废水中高达5.57 mg/L[3],长江口水体中为12.12~25.62 ng/L[4]。SMX增加环境中耐药菌及抗性基因的扩散风险[5],对生态系统与人类健康构成潜在威胁,因此去除水中SMX具有重要的研究和社会价值。
现有SMX的处理方法有化学法[6]、生物法[7]和吸附法等,其中吸附法因操作简单、无副产物和成本低廉受到关注[8]。常用吸附材料有天然矿物[9]、金属氧化物[10]、生物炭等。其中天然矿物活性位点有限,金属氧化物存在金属浸出对环境易造成二次污染,而生物炭因孔隙结构丰富、比表面积大和成本低廉等优势在污染物治理中展现出显著优势。但原料不同,生物炭的结构和性能不同,如木质生物炭芳香性强,但含氧官能团不足[11];草本及农作物[12]和禽畜粪便、污泥生物炭稳定性较差[13]。食品加工废弃物富含有机质及多种官能团,热解生物质所得生物炭表面活性较高,有利于极性污染物吸附。咖啡渣作为产量巨大的食品废弃物,2022年全球年产量约680万吨,填埋或者焚烧造成资源的严重浪费并加剧温室气体排放。咖啡渣制备生物炭可实现固废减量、碳封存与增值利用的协同效益。
原始生物炭吸附性能有限,需要改性提高吸附性能。Zhang等[14]利用生物炭吸附SMX,与原始生物炭相比改性后的生物炭对SMX的吸附量是未改性的5倍。常用氧化剂、金属离子[15]和酸等进行改性,其中酸改性可有效改善生物炭的孔隙结构提高其吸附能力[16],Li等[17]用磷酸和盐酸活化苜蓿生物炭吸附SMX,发现苜蓿生物炭改性后对SMX的吸附量分别提高38%和45%。但强酸改性存在设备腐蚀及二次污染问题,硼酸(H3BO3)作为环境温和友好的弱酸,在热解过程中可以促进微孔生成,并在碳骨架上引入B-O和B-C等含硼结构,调控表面化学性质与电子结构,提高对SMX的吸附能力。目前针对咖啡渣生物炭去除SMX的研究仍较为缺乏。
基于此,本文以咖啡渣为原料、H3BO3为活化剂制备咖啡渣生物炭,采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FT-IR)系统表征其微观结构与表面化学特性,探讨H3BO3改性咖啡渣生物炭理化性质的优化。结合吸附动力学、吸附等温模型探究咖啡渣生物炭对SMX的吸附机制。为咖啡渣的资源化利用及水体抗生素污染治理提供理论依据与材料支持。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

无水乙醇、H3BO3、NaOH、HCl、H2C2O4、C8H8O7均为分析纯,购于天津大茂试剂工厂,磺胺甲噁唑,纯度≥98%,阿拉丁股份有限公司;超纯水机,四川优普超纯科技有限公司;101-1AB型气浴恒温振荡器,天津市泰斯特仪器有限公司;5E-MF6100型马弗炉,长沙开元仪器股份有限公司;Agilent1200型液相色谱仪,美国安捷伦公司;V-Sorb2800TP型自动氮气吸附仪(BET),北京金埃普科技有限公司;JSM-7610FPlus扫描电子显微镜(SEM),日本电子株式会社;SmartLab SE型X射线衍射仪(XRD),日本Rigaku公司;Nicolet iS20型傅里叶红外光谱仪(FT-IR),美国Thermo Scientific公司;AXIS SUPRA+型X射线光电子能谱仪(XPS),日本Shimadzu公司。

1.2 实验过程

1.2.1 咖啡渣生物炭的制备

咖啡渣来源于某咖啡连锁店,首先对咖啡渣进行预处理,将咖啡渣用去离子水冲洗3~5遍洗去表面的水溶性物质并过滤,放入105℃烘箱中干燥至恒重备用。将预处理后的咖啡渣称取一定质量放置于30 mL坩埚中,置于马弗炉中,以5℃/min的升温速率至500、600、700℃,保温2 h,待马弗炉自行冷却至室温后取出,研磨过100目筛,所得材料命名为BCT(T为温度)。

1.2.2 H3BO3改性咖啡渣生物炭的制备

称取预处理后的咖啡渣与H3BO3于锥形瓶中加入去离子水混合均匀,置于摇床上180 r/min振荡8 h,将得到的混合材料进行过滤后于105℃烘箱中干燥至恒重,转移至30 mL的坩埚中,放入马弗炉中,缺氧条件下以5℃/min分别升温至500、600、700℃,保持2 h,待马弗炉自行冷却至室温后取出,研磨过100目筛,根据H3BO3与咖啡渣的质量比,将所得生物炭材料命名为B-BCT-x(T为温度,x=0、0.25、0.5、1、2)。

1.2.3 SMX分析

称取0.5 g SMX用1 mol/L NaOH溶解并转移至1 000 mL容量瓶中定容,得到500 mg/L的SMX储备液,取适量储备液稀释成一系列浓度梯度的标准溶液(1~50 mg/L),采用Agilent 1200型高效液相色谱仪进行分析,色谱柱为Eclipse Plus C18(4.6 mm×150 mm,5 μm);流动相为60%纯水和40%乙腈溶液,检测波长270 nm,柱温30℃,在此条件下SMX保留时间tR=6.0 min。标准曲线方程(浓度范围 0~50 mg/L)见式(1)。
$Y=43.903X+1.709({R}^{2}=0.999\mathrm{ }7)$

1.3 吸附实验与数据分析

1.3.1 序批吸附实验

取一定量浓度为500 mg/L的SMX储备液于100 mL的容量瓶中,定容,转移至150 mL锥形瓶中,加入生物炭,密封后放入恒温摇床中(25℃,180 r/min)振荡240 min,间隔一定时间取样,高效液相色谱仪测定SMX浓度。所有实验重复3次,取平均值。

1.3.2 B-BC700-1投加量和pH影响

实验过程同上。在研究B-BC700-1投加量影响时,B-BC700-1的投加量分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 g/L和3.0 g/L,SMX初始浓度为10 mg/L,反应温度为25℃。在研究pH影响时,B-BC700-1投加量为1.5 g/L,pH分别为3.00、4.00、5.00、6.00、7.00、8.00、9.00、10.00、11.00、12.00,反应温度为25℃。

1.3.3 吸附动力学

B-BC700-1投加量为1.5 g/L,SMX浓度为 10 mg/L,密封后放入恒温摇床中(25℃,180 r/min)振荡,间隔一定时间取样测定SMX浓度。

1.3.4 吸附等温线

B-BC700-1投加量为1.5 g/L,分别加入100 mL浓度为5、10、15、20、25、30、35、40 mg/L和50 mg/L的SMX溶液,将锥形瓶密封后放入恒温摇床中(25℃,180 r/min)振荡测定SMX浓度。

1.3.5 共存离子

150 mL锥形瓶中加入100 mL、10 mg/L的SMX溶液,将不同浓度的NaCl、Na2CO3、NaHCO3、Na2SO4、NaNO3、NH4Cl、Na3PO4·12H2O的溶液加入锥形瓶中,密封瓶口后放入恒温摇床中(25℃,180 r/min)振荡,计算平衡时浓度。

1.3.6 吸附剂再生和重复使用

无水乙醇作为解吸剂再生B-BC700-1,将 B-BC700-1与无水乙醇混合置于摇床中,在25℃,180 r/min条件下振荡24 h进行解吸,连续进行4个再生循环。

1.4 数据分析

生物炭对SMX的去除率和吸附量的计算如式(2)、式(3)所示。
$R=\left[\right({c}_{0}-{c}_{t})/{c}_{0}]\times 100\mathrm{\%}$
${q}_{t}=\left[\right({c}_{0}-{c}_{t})/m]\times V$
式中,R为污染物去除率,%;c0和ct分别为0和t时刻SMX浓度,mg/L;V为反应液体积,L;m为生物炭的添加量,g;qt为吸附量mg/g。
动力学实验数据采用准一级、准二级和粒子内扩散模型,如式(4)~式(6)所示。
$\mathrm{l}\mathrm{n}({q}_{\mathrm{e}}-{q}_{t})=\mathrm{l}\mathrm{n}{q}_{\mathrm{e}}-{k}_{1}t$
$t/{q}_{t}=1/\left({k}_{2}{q}_{\mathrm{e}}^{2}\right)+(1/{q}_{\mathrm{e}})t$
${q}_{t}={k}_{\mathrm{d}}{t}^{0.5}+D$
式中,qt为t时刻SMX吸附量,mg/g;qe为平衡吸附量,mg/g;t为吸附时间,min;k1为准一级吸附动力学速率常数,min-1;k2为准二级吸附动力学速率常数,g/(mg·min);kd为颗粒内扩散系数,g/(g·min0.5);D为与边界层厚度相关的常数。
吸附等温线采用Langmuir和Freundlich模型拟合,如式(7)、式(8)所示。
${q}_{\mathrm{e}}={q}_{\mathrm{m}}\left[\right({K}_{\mathrm{L}}{c}_{\mathrm{e}})/(1+{K}_{\mathrm{L}}{c}_{\mathrm{e}}\left)\right]$
${q}_{\mathrm{e}}={K}_{\mathrm{F}}{{c}^{1/n}}_{\mathrm{e}}+c$
式中,ce为平衡时溶液中SMX的浓度,mg/L;qe为平衡时SMX的吸附量,mg/g;qm为最大吸附量,mg/g,KL为方程Langmuir的特征常数,L/g;KF和n为Freundlich方程常数。

2 结果与讨论

2.1 生物炭制备优化

不同酸(HCl、H2C2O4、C6H8O7)活化咖啡渣生物炭[热解温度700℃,[m(酸)∶m(咖啡渣)=1∶1]对SMX的去除率如图1(a)所示。HCl、H2C2O4、C8H8O7活化咖啡渣生物炭对SMX的吸附量分别为4.29、3.22、3.5 mg/g。经H3BO3改性的生物炭最大吸附量为7.80 mg/g,H3BO3改性生物炭通过热解其比表面积由326.23 m2/g增至646.97 m2/g。考虑到强酸的腐蚀性和环境毒性,相对温和且环境友好的H3BO3作为活化剂具有明显优势。
如图1(b)所示,热解温度在500~800℃时,B-BCT-x对SMX的去除率分别为81.57%、89.40%、100.00%、100.00%。TG曲线[图1(c)、(d)]主要有3个失重过程:200℃以下水分蒸发;200~400℃半纤维素、纤维素和木质素的分解[18];400~800℃是由于结晶区衍生炭前驱体的气化。700℃基本炭化,热稳定性好,从节约能耗的观点来考虑,最高热解温度选择700℃。如表1所示,B-BCT-x在不同温度下的孔径分布大小为B-BC700-1>B-BC600-1>B-BC500-1,B-BC700-1的孔隙结构最为显著。温度由500℃升至700℃时,SBET由453.39 m2/g增至646.97 m2/g,Vtot由0.146 cm3/g增至0.447 cm3/g,结果与图1(b)中SMX的去除率相对应。H3BO3与咖啡渣质量比为0∶1、0.25∶1、0.5∶1、1∶1和2∶1时,B-BC700-1和B-BC700-2对SMX的去除率都达到100.00%。Cao等[19]利用山核桃壳制备生物炭,经H3BO3活化后其比表面积由436.29 m2/g增加至538.5 m2/g,且其H3BO3与生物炭的质量比高于本文中的1∶1。综合考虑吸附效果与经济成本,实验选择B-BC700-1进行研究。

2.2 生物炭的理化性质

2.2.1 SEM-EDS分析

BC700与B-BC700-1的扫描电子显微镜-能谱分析仪(SEM-EDS)如图2所示,BC700表面光滑,微孔结构有限。经H3BO3修饰后,可以观察到B-BC700-1表面变得粗糙,孔隙丰富,孔径变大,而且表面褶皱不平,含有多孔结构。这些大孔结构有利于污染物在生物炭内的快速扩散。原始生物炭和经H3BO3活化后的生物炭两者具有相似的元素组成。

2.2.2 BET分析

BC700与B-BC700-1的N2吸附-脱附等温线与孔径分布图如图3所示,基于IUPAC等温线分类,可以看出BC700与B-BC700-1的N2吸附-脱附等温线整体呈现出典型的Ⅰ型和Ⅳ型,这表示材料中同时存在介孔和微孔特征。与BC700相比,B-BC700-1表现出更强的N2吸附能力和更大的比表面积(646.97 m2/g),这可能与微孔含量较多有关。这表明H3BO3活化咖啡渣生物炭对比表面积的提高具有显著效果,有利于对污染物的吸附去除。

2.2.3 XRD和FT-IR分析

BC700与B-BC700-1的XRD和FT-IR如图4所示,图4(a)中,BC700和B-BC700-1在2θ=24°和44°处有两个较宽的衍射峰,分别对应碳材料典型的(002)晶面和(101)晶面,表明生物炭呈现无定形石墨结构特征[20]。与BC700相比,B-BC700-1的衍射峰向高角度偏移,说明硼掺杂促进了碳层堆叠结构的形成,使生物炭具有更高的石墨化程度。吸附SMX后,B-BC700-1的(002)峰进一步增强收窄,这表明SMX分子在孔道内与碳层间的填充作用增强了碳结构的局部有序性。
图4(b)中,在3 400~3 600 cm-1出现明显的吸收峰,这归因于表面—OH的伸缩振动[21]。改性后峰强度有所增加,这说明经H3BO3活化后有效引入了含氧官能团,且在吸附后对应峰强度增加,表明生物炭表面的—OH与SMX分子中的含氮官能团形成氢键。1 581.05 cm-1处的峰为羧基C=O伸缩振动引起的,1 026.01 cm-1和623.27 cm-1处的峰为O—C和B—O的伸缩振动[22]。B-BC700-1在吸附SMX后B—O峰值发生偏移,这证明B-O参与了反应。

2.2.4 XPS分析

BC700与B-BC700-1的XPS如图5所示。图5(a)是BC700和B-BC700-1吸附SMX后的全谱图,分别在286、533、399 eV处出现强峰,其主要元素组成为C、O、N。与BC700相比,B-BC700-1的C含量降低,O含量增加,说明改性生物炭对O进行了保留,且在191.95 eV处出现了一个新的B 1s峰,这证明了B元素被成功掺杂在了生物炭上。图5(d)展示了B 1s的拟合图谱,从图中可以看出在187.00、192.18 eV处有峰,分别对应的是B—O和B—C[23]。吸附后B—O含量降低,这说明B—O参与了SMX的吸附[24]。B-BC700-1中C 1s分解为284.80、286.62、289.79 eV 3个特征峰,分别对应C=C/C—C、C—O、C=O键。O 1s分解为531.42、536.17 eV对应C=O和C—O键。如图5(c)中在B-BC700-1吸附SMX后C=O含量降低,说明B-BC700-1表面的 C=O参与了SMX的吸附,通过氢键相互作用,与FT-IR的分析结果一致。

2.3 影响因素分析

2.3.1 投加量

如图6(a)所示,B-BC700-1投加量从0.5 g/L增加至3.0 g/L,SMX去除率从77.52%提高至100.00%,但其吸附量随着生物炭投加量的增多而逐步减少。综合考虑B-BC700-1对SMX的吸附量和去除率,确定最佳投加量为1.5 g/L,当投加量为1.5 g/L时,吸附量为7.80 mg/g。

2.3.2 溶液初始pH

pH是影响SMX吸附效果的重要因素。如图6(b)所示,随着pH从3.00增加到12.00,吸附量从7.80 mg/g降低至5.34 mg/g,这是由于SMX的解离(pKa1=1.6,pKa2=5.7)受到溶液pH的影响。如图6(d)所示,在酸性条件下(3≤pH≤5),SMX分子主要以中性形式存在,而在中性和碱性条件下(7≤pH≤11),SMX分子主要带负电荷。一般情况下,由于热解过程中—OH和—COOH的生成,生物炭表面带负电荷[25]。图6(c)表示B-BC700-1的Zeta电位随溶液pH的变化曲线,经检测B-BC700-1材料表面的pHpzc为2.85,在中性和碱性条件下,SMX在B-BC700-1上的吸附可能受到静电斥力的抑制[26]。相比之下,在酸性条件下,SMX分子更容易扩散到吸附剂内部,从而产生更高的吸附容量。

2.3.3 共存离子的影响

天然水环境中总是存在共存离子,如Cl-、$C{\mathrm{O}}_{3}^{2-}$、$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$S{\mathrm{O}}_{4}^{2-}$、$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$等,它们会竞争吸附剂上的吸附位点。因此,我们进一步探索离子对B-BC700-1吸附SMX的影响,以评估其吸附能力。如图7所示,可以看出B-BC700-1对SMX的吸附主要受$C{\mathrm{O}}_{3}^{2-}$、$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$P{\mathrm{O}}_{4}^{3-}$影响。$C{\mathrm{O}}_{3}^{2-}$、$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$、$P{\mathrm{O}}_{4}^{3-}$对SMX的去除率与无外加阴离子时相比分别下降了38.88%、29.12%、27.68%、6.36%。抑制作用$C{\mathrm{O}}_{3}^{2-}$>$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$>$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$>$P{\mathrm{O}}_{4}^{3-}$,且SMX的去除率随离子浓度的升高而下降。
酸根离子的水解作用使溶液呈碱性,SMX分子在碱性环境下主要是阴离子状态,而生物炭表面带负电荷抑制去除效率[27]。SMX上带负电荷的 —SO2NH—基团可以与生物炭上的表面羧基或羟基相互作用,形成SO2N…H…O,作为一种负电荷辅助的氢键(—)CAHB(X…H…Y)[28]。碳酸盐的存在明显抑制了B-BC700-1吸附SMX,因为碳酸盐倾向于形成(—)CAHB,它可以与SMX表面竞争羧基或羟基,而$S{\mathrm{O}}_{4}^{2-}$和Cl-在水溶液中呈中性,因此二者的存在并不会对吸附过程产生显著的抑制作用。此外,溶液中的$HC{\mathrm{O}}_{3}^{-}$与$N{\mathrm{O}}_{3}^{-}$还会占据B-BC700-1表面的吸附位点,从而影响吸附效果。

2.4 吸附动力学

如表2所示,采用准一级和准二级动力学模型来评价吸附过程(图8),与准一级动力学模型相比,准二级动力学模型更符合动力学数据。${R}_{2}^{2}$相对较高,同时,准二级动力学模型计算的qe更接近实验值,进一步证实了准二级模型与动力学数据吻合较好。该过程是一个化学吸附过程[18],吸附主要取决于B-BC700-1与SMX分子之间的相互作用。
颗粒内扩散模型拟合结果如表3,BC700和B-BC700-1在吸附SMX的过程中分为3个阶段,第1阶段:颗粒外部扩散阶段,SMX浓度差是扩散的驱动力;第2阶段:颗粒内扩散,SMX浓度减小,传质阻力变大,吸附速率下降;第3阶段:吸附到达平衡阶段。由图8(b)可以看出,拟合后的曲线均未经过原点,这表明颗粒内扩散吸附并不是唯一的限速过程,还与外扩散和表面吸附有关[29]。

2.5 吸附等温线

Langmuir和Freundlich等温模型拟合如图9所示,在SMX浓度较低时,平衡吸附量随着浓度的增长趋势较快,在SMX浓度较高时,平衡吸附量随浓度的增长趋势变缓,说明在较低浓度时更有利于生物炭对SMX的吸附。然后通过Langmuir和Freundlich模型拟合等温线实验数据,以确定吸附过程是单层吸附还是多层吸附。如表4所示,Freundlich模型要比Langmuir模型更好地描述B-BC700-1对SMX的吸附过程,这表明SMX吸附到B-BC700-1上的过程是以多分子层吸附为主[30]。Freundlich模型的1/n值均小于1,表明生物炭吸附性能良好。

2.6 吸附再生与重复利用

实验选择无水乙醇作为脱附剂,将脱附后的B-BC700-1进行干燥后再去吸附SMX,计算其再生效率,探究材料再生性能,结果如图10所示。
在进行4轮再生后,对SMX的去除率仍能达到80%以上,R4的去除率相比R0降低了15.29%。这可能是由于吸附剂在脱附再生的过程中存在质量损失,且B-BC700-1表面吸附的SMX没有被洗脱液完全去除,再生后B-BC700-1材料表面活性位点减少,导致B-BC700-1的吸附能力下降。结果表明B-BC700-1可能是去除环境中SMX有效且经济的吸附剂。

3 结论

以咖啡渣为原料、H3BO3为活化剂制备生物炭,H3BO3与咖啡渣的质量比为 1∶1时,生物炭B-BC700-1孔隙结构改善显著,比表面积和孔体积显著增大,对SMX的去除率显著增加。B-BC700-1对SMX的吸附动力学过程符合准二级动力学模型(R2=0.997 7),吸附过程快速,主要以化学吸附为主,颗粒内扩散不是唯一限速步骤。吸附等温线符合Freundlich模型(R2=0.970 9),吸附以非均质多层吸附为主。B-BC700-1对SMX的吸附受多种机制控制,包括孔隙填充、π-π共轭和静电吸附。B-BC700-1具有良好的稳定性,在4次循环再生后对SMX的去除率仍能达到80%以上,这为开发具有稳定性且环保的吸附剂开辟了一条新途径。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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