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不同制备温度下污泥生物炭对 Cr(Ⅵ)的吸附特性
铬(Cr)主要来源于铬矿开采、皮革鞣制、电镀等行业，以 Cr(Ⅵ)和 Cr(Ⅲ)
存在于环境中。Cr(Ⅵ)是世界公认的致癌物质，因具有毒性高、迁移性强、易生
物富集等特点而备受关注。生物炭对 Cr(Ⅵ)、Zn(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)等重金
属有较好的吸附性能，具备来源广泛(作物秸秆、木质垃圾、市政污泥等)、性能
稳定、制作成本低等显著特点，在重金属污染治理中得到了深入研究。
近年来，我国污水处理设施不断完善，预计到 2020年污泥年产量将突破
6000万 t(含水率 80%)，污泥富含大量不稳定有机物、病原体、重金属等物质，
若处理不当将造成严重的二次污染。但污泥也是一种潜在资源，将其热解制备成
生物炭能够实现污泥的减量化、稳定化、无害化，且可回收具有能源价值的生物
油、生物气，同时生物炭可作为吸附剂处理污水中的重金属。因此，将污泥热解
制备生物炭具备可观的经济与环境效益，近年来已成为该领域的研究热点。大量
研究表明，制备温度会造成生物炭的表面空隙结构、官能团的数量、种类等特性
的不同，是影响生物炭对重金属吸附性能的重要因素之一。但对于城市污泥控制
热解温度制备生物炭对重金属 Cr(Ⅵ)的吸附特性研究仍较少。本文针对不同热
解温度制备污泥生物炭对重金属 Cr(Ⅵ)的吸附特性进行系统研究，以污泥为原
料，不同温度梯度热解制备生物炭，对其性质进行表征分析，在不同 pH值、初
始 Cr(Ⅵ)浓度、吸附时间的条件下，研究热解温度对生物炭吸附 Cr(Ⅵ)的影响，
以期为生物炭对重金属的吸附特性提供参考。
摘 要
以城市剩余污泥为原料，于 300,400,500,600 ℃温度条件下制备生物炭，
通过单因素静态吸附实验探讨制备温度对生物炭吸附 Cr(Ⅵ)的影响。结果表明：
在 500 ℃以内随着温度上升制备的生物炭对 Cr(Ⅵ)的吸附量增加，制备温度高
于 500 ℃后变化不明显；扫描电镜(SEM)、比表面积(BET)、傅里叶红外光谱(FTIR)
表征结果显示，热解温度对生物炭表面形貌和官能团组成有显著影响；等温模型
及动力学拟合结果表明，生物炭吸附 Cr(Ⅵ)为单分子层吸附、物理-化学复合吸
附。热解温度对污泥制备生物炭吸附 Cr(Ⅵ)的性能有显著影响，最佳制备温度
为 500 ℃，在此条件制备的生物炭对 Cr(Ⅵ)的理论吸附量可达 mg/g。
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01 结果与讨论
1.材料的表征
1)污泥生物炭的基本性质。
生物炭的基本理化性质见表 2。结果显示：随着制备温度的升高，生物炭产
率下降，pH值增大。这是因为在>300 ℃条件下，热解过程以解聚、分解、脱气
反应为主，大量挥发性物质排出，随着热解温度增加，反应越彻底，因此产率逐
步下降。当制备温度>400 ℃，产率变化趋势减缓，变化不大。同时，因为温度
升高，生物炭中的无机离子会结合形成更多的无机碳酸盐等碱性物质。此外，随
着制备温度的升高，生物炭的比表面积增大，SB400的 BET值相较 SB300增加仅
为 倍，而 SB500的 BET值相较 SB300却增加了 36. 6倍，因为 500 ℃时，
污泥中的微生物残体等有机质迅速分解，挥发性物质快速释放和气体的产生引起
孔道大量生成，使 BET值急剧增加。
2)污泥生物炭电镜扫描(SEM)分析。
生物炭的扫描电镜见图 1。可知：随着热解温度升高，形貌、尺寸越发均匀，
孔道结构更加疏松，比表面积增加，有利于 Cr(Ⅵ)扩散到内部，增加吸附量。
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3)污泥生物炭红外光谱(FTIR)分析。
生物炭的红外(FTIR)图谱见图 2。可知：生物炭的制备温度对表面官能团的
种类和数量存在一定影响。①生物炭表面羟基(—OH)吸收峰(3250～3200 cm-1)
伸缩振动峰变弱，羟基数量减少，因为温度升高结合水的脱离和氢键结合的羟基
逐渐断裂；①烷烃中的—C—H(甲基—CH3和亚甲基—CH2)吸收峰(2960～2850
cm-1)减弱或消失，说明温度升高，烷烃基团流失，生物炭芳香性变强；①1650～
1580 cm-1为芳烃上 CC的伸缩振动峰变弱，1450～1370 cm-1为 C—H弯曲振动
峰变弱或消失，基团芳香化程度提高，材料更加稳定，增加更多的吸附点位提高
吸附性能。
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值对吸附性能的影响
溶液 pH值影响生物炭的表面性质和吸附质的化学形态，是影响其吸附性能
的重要因素之一。图 3为不同 pH值下生物炭对 Cr(Ⅵ)的吸附性能。可知：吸附
量随着 pH值降低，这与 Park等的研究结论一致，低 pH时生物炭表面带正电荷
吸附高 pH时带负电荷排斥且 OH-和竞争吸附位点，导致吸附能力下降；在 pH为
～时 SB500吸附能力最强，SB300吸附能力最差，可能是因为 SB500具
有较大比表面积，吸附位点充足，虽然 SB600拥有更大的比表面积和空隙率，但
热解温度越高，表面羟基、羧基等含氧官能团减少，氢键断裂，导致 SB600吸附
能力减弱。
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3.吸附等温模型
不同初始浓度条件下生物炭对 Cr(Ⅵ)的吸附量见图 4a。可知：吸附量随着
初始浓度增加而逐渐增加，当初始浓度达到 100 mg/L以上，吸附逐渐趋于饱和。
对比可知，在实验初始浓度范围内，SB500和 SB600对 Cr(Ⅵ)的吸附量均高于
SB300和 SB400，说明随着制备温度的升高，制得的生物炭对 Cr(Ⅵ)吸附能力增
强。采用 Langmuir和 Freundlich方程对实验结果进行拟合，结果见图 4b、c和
表 3。无论是哪种生物炭，Langmuir模型相关性系数均高于 Freundlich模型，
表明 Langmuir模型能更好地描述该吸附过程，可推断此吸附为单分子层吸附。
而对比 Langmuir模型计算得到的理论吸附量(Qe)可知，SB500具有较高的理论
吸附量( mg/g)，这是因为相较于 SB300和 SB400，SB500拥有较大比表面积；
而与 SB600相比，SB500含有更丰富的含氧官能团，可通过氧化还原、络合作用
增加对 Cr(Ⅵ)吸附量。由 Freundlich模型拟合参数得出，几种生物炭的 1/n值
均>，说明污泥生物炭对 Cr(Ⅵ)为“优惠型”吸附。
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4.吸附动力学实验
吸附速率实验及吸附动力学拟合结果如图 5所示。可知：污泥生物炭对
Cr(Ⅵ)的吸附量均为初期迅速增加，随后缓慢增加，最后达到动态平衡。SB500、
SB600达到动态平衡时间更长。这是因为 2种生物炭具有更为发达的孔道结构，
孔内扩散时间较长。同时对比几种生物炭的最终吸附量，能看出 500 ℃制备的
污泥生物炭对 Cr(Ⅵ)的吸附量最高，这与等温模型的结论一致。
图 5 动力学、颗粒内扩散模型拟合结果对比准一阶、二阶动力学和颗粒内
扩散模型拟合实验参数见表 4。准二阶动力学模型拟合结果更好(R2>)，其
理论最大吸附量 Qe(, , , mg/g)更接近实际吸附量(,
, , mg/g)，说明此吸附过程受化学吸附的影响。颗粒内扩散模型
表明生物炭对 Cr(Ⅵ)的吸附过程并非受颗粒内扩散唯一控制，还受其他步骤共
同影响。K1>K2，表明此吸附过程主要为表面单层吸附。
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02 结 论
1)在制备温度为 300～500 ℃内生物炭的 Cr(Ⅵ)吸附能力随着热解温度升
高显著增强；但继续升高制备温度，500～600 ℃内变化不明显，500 ℃是制备
污泥生物炭的最佳温度。
2)Langmuir等温模型和准二级动力学模型能够更好地描述生物炭对 Cr(Ⅵ)
的吸附过程，均为“优惠型”吸附。
3)表征结果表明：随着热解温度的升高，生物炭的 BET增大，表面异构化程
度增强，含氧团能团减少，芳香化增强。这些变化是生物炭吸附 Cr(Ⅵ)差异的
主要原因。
