K2CO3改性稻壳生物炭吸附罗丹明B

绪论1.1课题背景随着现代社会工业的快速发展，染料废水的排放量逐渐增加，引起严重的环境污染问题，进而威胁人类赖以生存的生态系统。大部分有机染料分子结构复杂，生物降解性差、色度高、毒性强，排入水体后会污染水源．危害水体甚至危害人体，因此染料废水的处理引起了人们广泛关注REF_Ref9199\r\h[1]。罗丹明B正是其中最重要的基础染料之一，它被广泛使用于纺织、染色等领域REF_Ref9833\r\h[2]。需注意的是，含罗丹明B的染料废水通常具有高毒性和致癌性且生物降解难度大，若未经有效处理直接排放，会对水体生态系统和人类健康产生严重威胁，因此需要对该类染料废水进行处理。因此越来越多研究致力于开发高效、低成本的吸附材料用于处理罗丹明B废水。工业染料废水的处理目前存在多种技术路线，物理处理法、化学处理法和生物处理法是主要类别。其中物理法可进一步细分为吸附处理技术、萃取分离技术和膜分离技术等具体形式。吸附法是最为普遍适用的一种方法，通过利用具有特殊官能团或多孔结构的吸附剂对污染物分子进行富集，再通过升温、降压等方法将污染物分子分离，可有效去除废水中的色度和有机物REF_Ref9908\r\h[3]，故为常用。生物炭是在缺氧环境中由热解生物质和固体废弃物制备，结构多孔且比表面积较大，原料来源广、成本低。表面含有多种含氧基团使生物炭能够吸附并固定水、土壤中的无机离子和有机物。由于单独热解获得的原始生物炭对污染物的吸附能力受有限的表面积和不良的孔结构制约REF_Ref9970\r\h[4]，所以有必要活化处理，进一步增加它的吸附性能。生物质资源作为生物质炭原料，常见的如废弃农作物稻壳、玉米秸秆等。我国是农业大国，农产品产量巨大，因此对其资源利用处理是目前亟需解决的问题。综上，本课题以农业废弃物稻壳为原料，通过碳酸钾改性和慢速热解工艺制备稻壳生物炭和改性生物炭，以RhB为处理目标物，考察改性生物质炭去除RhB的吸附效能。为罗丹明B废水处理提供高效、经济且环保的解决方案，同时为稻壳废弃物的资源化利用提供新途径。1.2国内外人工合成染料的废水处理技术与发展趋势1.2.1处理技术现阶段处理罗丹明B废水的方法类型多样，其中具有代表性的方法有吸附法、膜分离法、吸附法REF_Ref10313\r\h[5-REF_Ref10398\r\h7]、化学处理法和生物处理法等。（1）吸附法吸附法凭借操作简便、效率高且不易产生二次污染等特点，成为处理染料废水的潜力技术。该方法通过吸附剂的多孔结构和较大比表面积，利用物理吸附、化学吸附或离子交换等作用，将染料分子富集于吸附剂表面实现废水净化。（2）膜分离法膜分离法主要是利用微滤、纳滤、超滤和反渗透等膜的选择透过性，截留去除废水中的无机盐和有机物等污染物REF_Ref9908\r\h[3]分离法通过特制半透膜，基于膜两侧压力差、浓度差等驱动力实现废水中污染物的选择性分离。该方法能够有效截留染料分子、重金属离子等，在染料废水脱色及有机物去除方面具有较好效果。但成本较高，初期设备投资较大，限制了其大规模应用。（3）化学处理法在废水处理领域中，化学方法的应用较为广泛，诸如电化学氧化技术、芬顿试剂法以及臭氧氧化工艺等。然而这些方法普遍存在成本高昂的问题。微生物的吸附作用和降解能力被运用于生物处理技术中，使得水体中的污染物得以去除。污染物向材料内部孔隙的扩散过程随后发生REF_Ref10633\r\h[8]。（4）生物处理法生物处生物法是利用微生物吸附、降解水中的污染物达到处理的目的。耗能较低且没有二次污染，但部分染料分子无法被彻底降解，且受pH值、染料浓度等外界因素影响较大，处理高浓度染料废水时效率低，难以单独达到理想效果，实际应用中常需与其他方法联合使用。1.2.2发展趋势从技术与经济层面分析，当前染料废水处理技术仍存在提升空间，众多环保领域研究者积极开展新型处理工艺的研究。就染料废水处理技术的发展趋势而言，主要体现为以下方面：（1）多种技术结合使用趋势日益显著随着工业产业对废水排放标准的不断提高，废水的水质成分也越来越复杂，使用单一的传统方法逐渐无法确保水质达到合格标准，各种方法的优缺点大大限制了它们在实际工业生产中的使用[9]，故技术协同联用成为重要发展方向，同时可解决单一处理技术存在局限性的问题。例如吸附-生物降解结合工艺，先利用吸附剂快速去除废水中大部分染料，减轻其对微生物的毒性抑制，再通过微生物进一步降解剩余污染物，以提升处理深度与效率。再如电化学-催化氧化耦合技术，通过电化学过程产生强氧化性物质，协同催化剂作用强化对染料的降解能力，实现更高效的污染物去除。（2）进一步优化工艺某些时候仅仅技术结合亦无法解决问题，此时应进一步优化工艺。继续利用好生产工艺、检测技术、物理化学生物材料等相关领域的发展，提升染料废水处理工艺的处理效果或扩大其适用范围REF_Ref9908\r\h[3]以面对传统吸附剂面临成本高、再生难的问题。一方面，需持续挖掘农业废弃物、工业废渣等廉价原料制备吸附剂的潜力，例如通过化学活化、表面修饰等手段处理农业废弃物以优化吸附性能。另一方面，可积极探索纳米二氧化钛负载活性炭等新型纳米材料与复合材料的潜能，借助其独特结构和性能实现高效吸附染料。（3）环保技术加速绿色发展随着国民环境保护意识日渐增强，绿色环保处理技术逐渐成为研究热门。光催化氧化技术能够降解有机污染物，并且催化剂成本低、无毒，具有稳定的光学、化学性能REF_Ref10858\r\h[10]，并兼备反应条件温和、能耗低、无二次污染等优势。越来越多科研人员投身致力于相关研究，为“绿水青山就是金山银山”贡献自己的一份力量。（4）智能化与自动化控制技术愈加成熟随着国民生活水平的提高、国家经济实力的增强，新时代的研究人员们开始引入先进技术、自动化控制设备和数据分析系统，加快研究效率的同时还可以实现对染料废水处理过程的实时监测与精准调控，不但可以提高处理效果的稳定性和可靠性，而且可以降低人力成本和操作失误风险。1.3吸附技术（吸附法）1.3.1吸附原理吸附法吸附处理是常用的染料废水处理方法。其原理基于以下过程：（1）接触：当吸附剂与染料废水接触，吸附剂表面原子存在的剩余价力，使其与染料分子间产生吸引。（2）扩散：吸附质（染料分子）在浓度梯度作用下扩散。先是从染料废水主体向吸附剂外表面扩散，再向内部孔隙扩散。（3）吸附：分为物理吸附和化学吸附。物理吸附热数值较小，同时表现出可逆特性且选择性不高。相较而言，化学吸附显示出较高的稳定性水平，伴随着较大的吸附热效应以及显著的选择性特征。吸附法原理是将废水中的染料等污染物吸附到其表面，利用多孔性固体吸附剂(活性炭等)达到净化废水的目的REF_Ref10913\r\h[11]。染料废水处理过程包含两个重要环节：前处理阶段与深度净化阶段。在前处理环节中采用吸附技术有效去除废水中存在的大部分染料成分及有机物质，同时使废水色度值得以下降。由此可见，后续处理工序的负荷由此获得减轻。在深度净化阶段运用吸附方法不仅能够满足水质标准要求，更可实现对废水处理质量的进一步提升。1.3.2吸附材料（1）活性炭活性炭是一种多孔结构的表面化学不均匀的吸附剂,表面含有不同类型官能团,具有高比表面积、高吸附量、良好的机械和化学稳定性、再生和再利用等优点,被广泛用于有机物和重金属等污染物的地下水治理[12]。但是活性炭作为反应介质最大的弊端是其反应活性在污染水的治理过程中会逐渐降低,最终导致整个系统出现无法继续进行修复污染物的问题。且活性炭受污染水的pH值影响较大,较高pH值的水会使得活性炭表面发生电离,增加水分子与活性炭表面活性位点的相互作用,从而降低吸附能力;此外活性炭的去除能力还会受地下水成分的影响,天然有机物可以与目标污染物竞争活性炭的吸附结合位点,从而降低了对目标污染物的吸附强度REF_Ref10989\r\h[12]。（2）工业废料和天然废料煤渣、木屑等工业废料和天然废料，经适当处理后可作为吸附剂使用。这类材料成本低廉、来源广泛，将其作为吸附剂有助于实现废弃物的资源化利用并降低处理成本。但此类吸附剂通常吸附性能较弱，处理复杂染料废水时效果可能有限，常需与其他处理方法联合使用或进一步改性优化。（3）生物吸附剂微生物等生物吸附剂可对印染废水中的染料和有机物产生一定吸附作用。其原理是利用微生物酶能氧化、还原的特点，破坏染料分子的发色基团和不饱和键，通过一系列操作将染料最终降解为简单的无机物或原生质达到吸附的目的REF_Ref11051\r\h[9]。微生物细胞表面分布着多种官能团，可与染料分子吸附。需注意的是，生物吸附剂的吸附能力受温度、pH、溶解氧等环境条件影响显著，且处理效率的稳定性相对不足。（4）以生物炭为代表的改性吸附材料随着社会发展，农业废弃产物回收处理成为热点问题，所以以农业废弃物为原料制备的生物炭及其改性材料的方法愈加受关注。生物炭自身具备一定吸附性能，通过物理或化学改性可进一步提升吸附能力。生物炭改性吸附材料原料来源丰富、成本较低，有望在染料废水处理中发挥更大作用。1.4生物炭的研究进展1.4.1生物炭简介生物炭是由生物质（如农业废弃物等）在缺氧或限氧环境中经热解碳化形成的富碳固体产物。生物炭是人为地将含丰富生物质的原材料在控氧氛围内通过热转化而制得的碳化产物，其取材方法简便、生产流程简单、制备成本低，在有机染料废水处理领域具有广阔的应用前景REF_Ref11129\r\h[13]。其原料来源广泛，包括农业废弃物、林业废弃物）及动物粪便等。这些原料富含纤维素、半纤维素和木质素等有机成分，是制备生物炭的理想物质基础。其中稻壳作为常见的农业废弃物，具有产量大、易获取的特点，常被用于生物炭的制备。1.4.2生物炭的制备方法生物炭的制备方法主要有以下几种常见方法：高温热解法：将生物质原料置于密闭式反应器中，在高温条件下进行热解处理。通过热解反应生成生物合成炭与气体产物。当前主流生物炭制备技术中，高温热解法占据重要地位，其温度设定区间对炭材料吸附性能具有显著影响性REF_Ref11051\r\h[9]。氧气气化法：混合后的生物质原料与氧气在高温高压条件下发生氧化还原反应。能源生产用途可考虑反应产生气体的利用价值，固体产物为生物合成炭，其孔隙结构与化学性质受温度、压力调控。该方法兼具生物质能源化与炭材料制备功能REF_Ref11051\r\h[9]。（3）氮气热解法：将生物质原料置于氮气环境中，在高温条件下进行热解反应。该过程中，生物质经热解产生的气体除含CO、H₂等常规组分外，还富含携带炭质的颗粒物，可通过冷凝或过滤等方式分离回收REF_Ref9833\r\h[2]。（4）微波热解法：微波热解法是将生物质原料置于微波反应器内，利用微波辐射引发热解反应的技术。在微波高频电磁场作用下，生物质中的极性分子（如水分子、有机物）快速振动产热，促使原料在较短时间内完成热解。1.4.3生物炭的改性方法生物炭的改性目的是优化孔隙结构、增大表面官能团数量等提升对染料等污染物的吸附性能。物理改性，化学改性，生物改性是常见的生物炭改性方法。物理改性：将有机物杂质除掉，使生物炭结构改变，把原始化学键破坏使之形成新的孔隙结构和表面活性位点，利用高温分解等方法进行物理改性。化学改性：目前使用最频繁，化学法主要是通过化学物质活化生物炭和在生物炭上负载化学物质来增加对重金属的吸附性能。因生物炭的种类和被吸附的重金属离子的不同，导致用来活化生物炭的化学物质种类繁多，常用的有酸、碱、磷酸盐以及氧化剂等REF_Ref13271\r\h[14]。一般分为酸碱改性、氧化改性、还原改性等。利用强酸强碱与生物炭表面的基团发生反应，可溶出生物炭中的部分金属杂质，同时在表面引入酸性官能团；碱处理则能刻蚀生物炭，扩大孔隙结构，增加表面负电荷密度。通过使用还原剂，可改变生物炭表面的氧化态，还原部分高价金属离子改变吸附性能。生物改性：生物法是通过微生物处理生物炭增大生物炭比表面积、增大孔隙容量，从而提高其吸附性能REF_Ref13271\r\h[14]。1.5课题的研究目的及意义随着社会和工业的快速发展，人工合成染料在众多领域被广泛应用。但是人工染料废水色度和化学需氧量都较高，直接排入水中会导致透光率降低，从而抑制水生植物生长进而导致水环境被污染。罗丹明B是一种价格便宜、着色率高的碱性染料，它高毒、致癌且难降解，处理问题急需解决。目前，生物法、吸附法、光催化降解、电化学处理等是处理染料废水的常用方法，其中生物炭吸附法因具有诸多优势，被视为极具前景的高效污水处理技术。生物炭由于原料来源广泛、生产成本低、能源需求少等特点，成为研究关注的焦点。其表面含有丰富的-COOH、-COH和-OH等含氧基团，能够对水体、土壤或沉积物中的无机离子及有机化合物（如亚甲基蓝、五氯苯酚、罗丹明B等）进行吸附和固定。研究表明，通过金属盐或氧化物对生物炭进行改性处理，可以增大其吸附比表面积，丰富表面官能团结构，进而显著提升吸附性能。基于此，本课题以稻壳为原料、碳酸钾为改性剂、罗丹明B的吸附效能为指标，旨在丰富生物炭改性及吸附相关理论，为后续研究提供理论参考。希望推动农业固体废弃物稻壳的综合利用，为染料废水处理提供一种新的可能性，助力水环境质量改善，具有显著的环境效益与社会效益。1.6课题研究的主要内容本研究以稻壳为起始原料，借助高温热解法制备原始生物炭，随后将其浸泡于碳酸钾溶液，制备碳酸钾改性生物炭，并深入考察其对罗丹明B的吸附性能，确定最佳吸附条件，具体研究内容如下：（1）生物炭的制备及条件优化首先高温热解法制备生物炭，罗丹明B吸附效能为指标，调节煅烧时间、温度等探索生物炭的最佳制备条件。（2）改性生物炭的制备及条件优化在已制备的稻壳生物炭中投加碳酸钾作改性剂改性，调整稻壳生物炭与碳酸钾的质量比、改性温度、改性时间等因素，以罗丹明B吸附效能为指标，探寻最佳改性条件。（3）碳酸钾改性生物炭吸附性能研究探索吸附反应中改性生物炭投加量、吸附时间、吸附温度等因素对模拟罗丹明B废水吸附效果的影响，从而确定最优吸附工艺条件。2实验材料与方法2.1实验原料与水样来源实验所用稻壳原料采集自哈尔滨市松北区农田区域。清洗晒干处理后的稻壳经粉碎机粉碎操作，过60目筛（0.30mm）的粉末样品作为后续实验材料保存备用。为模拟染料废水处理场景，实验配制特定浓度的RhB溶液替代实际废水。RhB溶液制备步骤如下：用电子天平精确称取0.02gRhB标准试剂，加入适量蒸馏水搅拌至完全溶解，转移至1000mL容量瓶定容，按需稀释为不同浓度使用。2.2实验仪器和试剂2.2.1实验试剂主要试剂的规格和生产厂家见表2-1。表2-1实验主要试剂试剂名称质量/kg长/m无水碳酸钾5.61.5罗丹明B3.51.52.2.2实验仪器实验所用的主要仪器见表2-2。表2-2实验所用主要仪器和设备仪器设备名称型号生产厂家恒温水浴震荡锅SHA-C兴化市恒之友电热设备制造有限公司电热恒温鼓风干燥箱DHG-9123A上海一恒科学仪器有限公司马弗炉SX2-20-10洛阳力宇窑炉有限公司紫外分光光度计722上海叶拓科技有限公司电子天平FA2004上海阔思电子有限公司pH计PHS-3C杭州米科传感技术有限公司2.3实验方法2.3.1生物炭的制备首先，将稻谷壳仔细洗净，随后放入65℃的烘箱内，干燥处理24小时。干燥完成后，把稻谷壳转移至粉碎机中进行研磨，研磨后的粉末过60目筛（筛网孔径为0.30mm）。接着精确称取2g过筛后的稻壳粉末，放入陶瓷坩埚。再将坩埚置于马弗炉内，营造炉内缺氧环境，分别设定热解目标温度为300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃，在每个温度下均热解120分钟。热解结束后，让其自然降温。从而得到不同煅烧温度下制备的稻壳生物炭，标记为BC-300、BC-350、BC-400、BC-450、BC-500、BC-550。最后，密封存放于室温干燥箱中，以备后续使用。产率分析公式2-1：产率%=公式内：m1——BC的质量（g）；m2——煅烧前稻壳粉末的质量（g）。2.3.2改性生物炭的制备 稻谷壳洗净后在65℃烘箱中干燥24小时，用粉碎机研磨并过60目筛（孔径0.30mm）。称取2g粉末装进陶瓷坩埚，放入马弗炉内，550℃煅烧120分钟，自然降温后得到目标生物炭，标记为BC-550。采用浸渍法并运用控制变量原理，探究不同条件下的改性效果。称取一定量BC-550粉末，操作如下：（1）K2CO3与稻壳生物炭质量比探究：在250mL锥形瓶中分别加入0.1gBC-550，使K2CO3与稻壳生物炭分别呈现1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3的质量比例，放入恒温水浴振荡箱，以130r/min振荡速率进行改性。（2）改性温度探究：设置改性浸泡温度分别为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃，同样在上述锥形瓶中分别加入0.1gBC-550，于恒温水浴振荡箱内，以130r/min振荡速率开展改性操作。（3）改性时间探究：设定改性时间分别为2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h，在250mL锥形瓶中分别取0.1gBC-550，以130r/min的频率振荡改性。浸渍完成后，倒掉上清液，将改性后的稻壳生物炭放入105℃的烘箱中烘干12小时。将不同K2CO3与稻壳生物炭质量配比的改性生物炭，依次标记为K-CS-1、K-CS-1.5、K-CS-2、K-CS-2.5、K-CS-3。不同浸泡温度下的标记为K-CS-25、K-CS-30、K-CS-35、K-CS-40、K-CS-45。不同改性时间下的标记为K-BC-2.5、K-BC-3、K-BC-3.5、K-BC-4、K-BC-4.5。制备完成后，将样品妥善储存备用。2.3.3生物炭吸附实验用天平称取0.1g样品，投入50mL浓度20mg/L的罗丹明B（RhB）溶液，一定温度下振荡吸附。结束后对溶液进行过滤处理，通过紫外-可见分光光度计在554nm波长处测吸光度。根据检测数据计算原始生物炭（BC）和改性生物炭（KBC）在不同条件下对RhB溶液的吸附效率，选出最佳吸附参数。标准曲线绘制：选择RhB染液为处理目标，探测废水中RhB的去除程度，优化BC及K-BC改性生物炭的制备工艺。为建立对应关系绘制RhB废水标准曲线。具体操作为：分别配制浓度为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10mg/L的RhB溶液，在波长554nm处使用可见分光光度计测定吸光度。以吸光度为纵坐标、浓度为横坐标，使用线性回归分析方程绘制RhB溶液的标准曲线并计算系数R²。使用以下公式计算处理效率； η=A0−AtAη——去除率；A0——降解前染料吸光度；At——降解后染料吸光度。2.3.4分析项目及检测方法图3-1罗丹明B的标准曲线由图3-1RhB溶液标准曲线图可知，用公式计算出次标准曲线R2值为0.9923，所以吸光度和RhB浓度成线性相关。

3实验结果与讨论3.1生物炭制备条件优化本研究采用单因素实验法探究生物炭的最佳制备条件，通过分光光度法测定溶液中罗丹明B（RhB）的浓度，以此作为评估生物炭吸附性能的依据。具体而言，依次对煅烧温度、煅烧时间两个因素展开研究，以明确其对生物炭吸附性能的影响。3.1.1煅烧温度对生物炭吸附性能的影响煅烧温度会影响活性炭的微观结构，导致吸附性能被影响。恒定煅烧时间2h、生物炭投加量0.1g，不同煅烧温度对生物炭吸附性能的影响如图3-2所示。图3-2煅烧温度对生物炭对去除RhB效果的影响由图3-2可知，随着煅烧温度升高，RhB去除率呈先升后降趋势。去除率峰值出现在550℃，温度升高促使生物炭孔隙结构逐步发育，比表面积和表面活性位点数量增加，适度升温可促进生物质中挥发性成分释放，形成更多微孔结构，从而提升对染料的吸附能力REF_Ref14117\r\h[15]。此时，RhB去除率随温度升高而上升。在300~550℃范围内，高温热解导致生物炭结晶度降低、晶体结构稳定性改变，可能伴随气孔结构增多，从而增强对RhB的吸附能力REF_Ref14117\r\h[15]。而超过550℃后，过高温度导致生物炭内部孔隙结构坍塌或炭化过度，比表面积反而减小，高温可能破坏表面官能团（如含氧基团）的稳定性，降低其与RhB的化学结合能力REF_Ref11051\r\h[9]。综合以上最终选定550℃制备的BC用于后续实验。该结果也符合相关研究中关于化学改性生物炭在水处理中最佳活化温度的理论分析，进一步验证了高温热解条件对生物炭吸附性能的关键作用。3.1.2煅烧时间对生物炭吸附性能的影响恒定煅烧温度550℃、生物炭投加量0.1g，考察煅烧时间对生物炭吸附性能的影响，具体结果见图3-3。通过控制煅烧时间明确热解时长对生物炭微观结构、表面化学性质的影响规律，进而揭示其与吸附效果的内在关联。煅烧时间较短可能导致生物炭热解不充分、孔隙发育不完全；时间过长则可能引发结构坍塌或官能团分解，最终通过图3-3的趋势曲线直观呈现不同时间节点的吸附效能变化。图3-3煅烧时间对生物炭去除RhB效果的影响由图3-3可知，在针对1-3h煅烧时间对生物炭去除罗丹明B（RhB）效果的考察中，呈现出随着煅烧时间延长，RhB去除幅度先上升后下降的趋势。这一变化主要源于煅烧时间对BC的孔隙结构、比表面积和表面官能团产生显著影响REF_Ref9199\r\h[1]。在1-2h的时间区间内，随着煅烧时间的延长，会促使BC发生一系列有利于吸附的变化。高温下，生物炭前驱体中的有机质逐步分解，挥发性物质持续逸出，在BC内部形成更多微孔和介孔结构。RhB分子通过孔隙扩散至内部吸附位点的路径更畅通。孔隙数量的增多，使得RhB分子与生物炭的接触机会大幅增加；而比表面积的增大等同于提供了更多的吸附位点，即吸附效果越好REF_Ref14594\r\h[16]。同时，这一阶段的煅烧会促使更多活性官能团形成。这些官能团具有独特的化学性质，能够与RhB分子发生多种相互作用。例如，其中的-COOH（羧基）、-OH（羟基）等官能团可以通过氢键、静电作用或络合作用等方式与RhB分子结合，极大地有利于RhB的吸附去除REF_Ref14633\r\h[17]。然而，当煅烧时间延长至2-3h时，BC的吸附性能出现转折。过长的高温热解过程会导致生物炭孔隙结构发生不可逆破坏，具体而言，长时间煅烧使生物炭内部微孔壁面因过度热解而坍塌”。在金属改性稻壳生物炭研究中得出当煅烧时间超过2.5h时，BC比表面积骤降，吸附位点数量相应减少REF_Ref10633\r\h[8]，也可能导致“表面活性位点因高温氧化而丧失活性”，使静电吸附和氢键作用显著减弱REF_Ref14731\r\h[18]。考虑RhB去除效果，选定2h作为后续实验的煅烧时间。结合前期对煅烧温度的研究结果，最终确定制备稻壳生物炭用于吸附RhB的较优条件为煅烧温度550℃、煅烧时间2h。3.2改性生物炭制备条件优化3.2.1浸泡时间对生物炭吸附性能的影响采用质量比为1:1的稻壳生物炭与K2CO3改性，取0.1g改性生物炭（KBC）在30℃吸附温度下开展吸附实验。探究不同浸泡时间（2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h）对生物炭吸附效果的影响，相关结果如图3-4所示。图3-4浸泡时间对生物炭去除RhB效果的影响由图3-4能够清晰看出，随着浸泡时间的递增，罗丹明B（RhB）的去除率呈现出先升高后降低的态势。当浸泡时间到4h时，去除率攀升至峰值，随后开始渐渐回落。在2.5-4h范围内，KBC对RhB的吸附能力持续增强，能够高效脱除溶液中的RhB。这可能是因为在此时间段内，随着改性反应的持续进行，KBC的表面结构不断优化，孔隙结构更加丰富，比表面积逐渐增大，同时表面活性官能团的数量也在增加，这些因素共同作用，提升了KBC对RhB的吸附效率REF_Ref14594\r\h[16]。然而，当浸泡时间处于4-4.5h时，RhB的去除率却开始下滑。这极有可能是由于KBC的吸附位点趋近饱和，已无力承载更多的RhB分子REF_Ref10398\r\h[7,REF_Ref10989\r\h12]；亦或是在过长的改性时间下，发生了诸如解吸等其他副反应REF_Ref11051\r\h[9,REF_Ref14731\r\h18]，致使先前已吸附的RhB出现重新释放的情况，从而使得溶液中RhB浓度回升，去除率降低。综合考量改性时间对RhB去除率的影响，最终将能实现最佳吸附效能的改性生物炭的浸泡时间确定为4h。3.2.2生物炭与K2CO3比例对生物炭吸附性能的影响使用浸泡温度30℃、浸泡时间4h的改性生物炭称取0.1g进行吸附，考察改性比例（生物炭与K2CO3质量比分别为1:1、1:1.5、1:2、1:2.5、1:3）对RhB吸附效果的影响，结果如图3-5所示。图3-5碳酸钾与生物炭比例对生物炭去除RhB效果的影响由图3-5可知，在探究碳酸钾与生物炭不同比例对生物炭去除RhB效果的实验中，去除率呈现先上升后下降的趋势。当碳酸钾与生物炭的比例从1:1逐渐增加到1:2时，去除率不断提高。这是因为适量增加碳酸钾比例，能够有效影响生物炭的孔隙结构和比表面积REF_Ref15289\r\h[19]。当比例达到1:2时，去除率达到最大值，说明此时生物炭的吸附性能最优，各方面结构和官能团的改变对RhB吸附的促进作用达到最佳平衡状态REF_Ref10633\r\h[8]。当比例继续增加到1:2.5、1:3时去除率逐渐下降。原因可能是过量的碳酸钾导致生物炭的孔隙结构被过度修饰或堵塞，比表面积反而减小REF_Ref10633\r\h[8]，阻碍了RhB分子与生物炭内部有效吸附位点的接触。或是过多的碳酸钾使生物炭表面的化学环境发生改变，不利于与RhB结合，甚至导致已吸附的RhB发生解吸REF_Ref14731\r\h[18]。综合考虑去除率以及生物炭吸附性能的变化情况，选择1:2、1:2.5、1:3这个三个条件因素设计后续正交实验，探索对RhB的去除效果最佳的条件因素。3.2.3浸泡温度对生物炭吸附性能的影响在浸泡时间为4h、生物炭与碳酸钾质量比为1:2（g:g）的条件下，取0.1g改性生物炭（KBC）开展吸附实验，考察不同浸泡温度（25℃、30℃、35℃、40℃、45℃）对RhB吸附效果的影响，实验结果如图3-6所示。图3-6浸泡温度对生物炭去除RhB效果的影响图3-6显示了不同浸泡温度下KBC对RhB的去除率变化。由图可知，当浸泡温度在25~40℃范围内时，随着温度上升，RhB去除效果逐渐增强，可能是因为升温增强了生物炭表面活性及分子运动性，加速碳酸钾在生物炭表面的负载并提高吸附位点利用率REF_Ref9833\r\h[2]。当温度达到40℃时去除率达到峰值，这一现象可能归因于温度升高可增强生物炭表面活性及分子运动性，促进碳酸钾在生物炭表面的负载效率并提升其吸附能力。当温度超过40℃后，去除率下降，过高温度可能破坏生物炭孔隙结构或引发碳酸钾分解，导致吸附能力降低REF_Ref10633\r\h[8]。3.2.4K2CO3吸附剂制备条件的优化基于单因素分析所得结论，选取生物炭与碳酸钾比例、浸泡时间、浸泡温度这三个影响因素最可能造成影响的数值条件开展正交实验，其实验结果见表3-1、3-2。表3-1正交实验因素与水平分布表水平因素A碳酸钾与生物炭比例/(g:g)B改性浸泡时间/(h)C改性浸泡温度/(℃)123.53522.5440334.545表3.2正交实验结果试验号A碳酸钾与生物炭比例/(g:g)B改性浸泡时间/(h)C改性浸泡温度/(℃)RhB去除率/(%)123.53566.9322.543558.95334.53549.36433.54074.925244089.3062.54.54082.9172.53.54573.328244568.53934.54562.14K1175.24215.18224.76K2247.12216.77215.18K3203.99186.42186.42k158.4171.7374.92k282.3762.1471.73k368.0062.1462.14极差R23.969.5812.78因素主→次A>C>B最优方案A2C2B2正交实验结果表明浓度为20mg/L的RhB溶液的最佳改性条件为：改性比例1:2.5、浸泡时间4h、浸泡温度40℃，此条件下染料废水的去除率为89.30%。3.3K2CO3吸附性能研究为探究所制备KBC去除染料废水的最佳条件，通过单因素法考察吸附温度、吸附时间、吸附剂投加量对效果的影响。实验所用KBC为单因素正交实验中去除效果最优的一种，制备条件：煅烧温度550℃、煅烧时间2h，改性浸泡温度40℃、浸泡时间4h，生物炭与K2CO3质量比1:2.5（g:g）。3.3.1吸附温度对罗丹明B溶液吸附性能的影响多项研究表明，温度对RhB的去除效率有一定的影响，为明确反应温度对RhB去除性能的影响规律并优化实际废水处理参数，开展温度单因素实验。实验配置5份100mL浓度为20mg/L的RhB溶液，投加0.1g吸附剂并调节pH=7，分别在130r/min转速、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃恒温水浴振荡锅内振荡2h，测定吸附后RhB吸光度并计算去除率，结果如图3-7所示。图3.7吸附温度对生物炭去除RhB效果的影响如图3-7所示，考察了不同吸附温度下生物炭对水中RhB的去除情况。在25-30℃温度区间内，生物炭表面富含空位与活性位点，RhB分子能快速占据，吸附效果显著提升REF_Ref13271\r\h[14]。3-5h反应时间内，生物炭表面空位逐渐被占据，趋近吸附平衡，继续延长时间吸附效果提升有限。30℃时生物炭对RhB去除率达到最高，达到72.65%。基于此，选定30℃为本实验最佳反应温度条件，该温度下生物炭对RhB的吸附效能最优。3.3.2吸附时间对罗丹明B吸附性能的影响配制5份100ml、浓度为20mg/L的RhB溶液，加入0.1g吸附剂并将pH调至7。随后，将溶液置于30℃、转速为130r/min的恒温水浴振荡锅内，分别振荡1h、1.5h、2h、2.5h、3h后取出，测定经K2CO3改性生物炭吸附后的RhB吸光度，进而计算RhB去除率。吸附实验结果如图3-8所示。图3-8吸附时间对生物炭去除RhB效果的影响如图3-8，吸附时间为1-2h内，RhB去除率随时间增长快速上升，这是因为生物炭表面的活性位点不断与RhB分子结合。在2h时，去除率达到72.59%，此时吸附效果最佳。当吸附时间从2h延长至2.5h，去除率上升趋势变缓，继续延长至3h时，去除率甚至出现下降。在2h左右生物炭对RhB的吸附趋近平衡，继续增加时间可能导致已吸附的RhB发生解吸，或因长时间振荡破坏生物炭结构，进而降低吸附效果。因此，综合考虑吸附效率与效果，选定2h作为本实验的吸附时间。3.3.3吸附剂投加量对罗丹明B吸附性能的影响配置7份100ml浓度为20mg/L的RhB溶液，分别加入0.01g、0.05g、0.1g、0.15g、0.2g、0.25g、0.3g的吸附剂，将pH调至7。随后，把溶液置于30℃、转速为130r/min的恒温水浴振荡锅内，振荡2h后取出，测定RhB吸光度，并计算其去除率。实验结果如图3-9所示。图3-9吸附剂投加量对生物炭去除RhB效果的影响如图3-9所示，在RhB溶液浓度为20mg/L、体积100ml不变的条件下，考察了不同吸附剂投加量对RhB去除效果的影响。当K2CO3改性的稻壳生物炭投加量由0.01g增加到0.2g时，去除率由26.79%增加至97.10%，当生物炭投加量进一步增加时，去除率基本不变，这是因为生物炭投加量的增加可以为罗丹明B的吸附提供更大的比表面和更多的吸附位点REF_Ref15632\r\h[20]，但当投加量过多时，溶液中剩余的罗丹明B含量较少，吸附很难达到饱和，另外吸附剂的增加也会导致吸附活性位点的竞争，因此去除率增加幅度很小REF_Ref15289\r\h[19]。超过0.2g时，去除率趋于平稳。这是因为待去除的RhB污染物总浓度固定，过量的吸附剂无法进一步提升去除效果，吸附容量也达到饱和。结合实验的经济性以及实际处理需求等多方面因素，当投加量为0.2g时，已能实现较高的去除率（97.10%），继续增加投加量不仅不能显著提升去除效果，还会造成吸附剂浪费。因此，综合考虑选定0.2g为本实验的最佳吸附剂投加量。

结论论文采用慢速热解法制备稻壳生物炭（BC），并对其通过加入K2CO3进行改性，通过系列实验探究其吸附罗丹明B（RhB）溶液的性能，得到以下结论：（1）利用单因素实验考察BC及改性BC（KBC）的制备条件。由结果可得，最佳制备BC的条件为煅烧温度550℃、煅烧时间2h；对于KBC，当改性时间为4h、改性比例为1:2、改性温度为40℃时，改性效果最佳。（2）在确定KBC最佳制备条件的基础上，通过单因素实验设计研究其在吸附染料废水中的最佳工艺条件。最终确定，在100mL浓度为20mg/L的RhB溶液中，最佳吸附工艺条件为反应温度30℃、吸附时间2h、吸附剂投加量0.2g，此条件下RhB的去除率为97.10%。

参考文献XUS,NIUx,HOUZ,eta1.Amultifunctionagelatine——quaternarya[nmoniumeopolymer:anefficientmaterialforreducingdyeemissioninleathertanningproeessbysuperioranionicdyeadsorption[J].JournalofHazardousMaterials,2020,383:121142—121153.范方方,左卫元.制备条件对稻壳生物炭吸附亚甲基蓝性能的影响研究[J].安徽化工,2022,48(6):66-69.鞠雪敏,罗莉涛,张鸿涛,等.染料行业废水无害化处理技术现状及发展趋势[J].科技导报,2021,39(17):45-54.范方方,左卫元.制备条件对稻壳生物炭吸附亚甲基蓝性能的影响研究[J].安徽化工,2022,48(6):66-69.ZHANGJ,ZHUM,JONESI,etal.PerformanceofactivatedcarbonspreparedformspenttyresintheadsorptionofrhodamineBinaqueoussolutions[J].EnvironmentalScienceand