Ottimizzazione del biochar target per l'adsorbimento dello ione di metalli pesanti target

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13662 (2022) Citare questo articolo

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Lo scopo di questo lavoro è studiare le condizioni di pirolisi del biochar target adatto allo ione di metalli pesanti target, caratterizzare il biochar target ottimizzato e studiare le prestazioni di adsorbimento del biochar. Con Cu2+ e Zn2+ come inquinanti target, le condizioni di pirolisi coinvolte nel processo di preparazione come temperatura di pirolisi, tempo di pirolisi e velocità di riscaldamento sono state valutate e ottimizzate da Box–Behnken Design (BBD), metodologia della superficie di risposta (RSM) e funzione di desiderabilità, sono state ottenute le condizioni di pirolisi ottimizzate del biochar target per Cu2+ (Cu-BC) e Zn2+ (Zn-BC). I parametri ottimali di pirolisi per Cu-BC e Zn-BC erano il tempo di pirolisi di 3,09 e 2,19 h, la temperatura di pirolisi di 425,27 e 421,97 °C e la velocità di riscaldamento di 19,65 e 15,88 °C/min. La cinetica di pseudo-secondo ordine e il modello dell'isoterma di Langmuir si sono rivelati quelli che meglio si adattano ai dati di equilibrio, con una capacità di adsorbimento massima (Qmax) adattata dal modello di Langmuir pari a 210,56 mg/g per Cu2+ mediante Cu-BC e 223,32 mg/g per Zn2+ mediante Zn-BC, che erano entrambi superiori al Qmax del biochar non ottimizzato (BC) per Cu2+ (177,66 mg/g) e Zn2+ (146,14 mg/g). Le proprietà fisiche, la struttura chimica, le proprietà chimiche superficiali di Cu-BC e Zn-BC sono state caratterizzate mediante misuratore di potenziale Zeta, microscopia elettronica a scansione con spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (SEM-EDX), spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR), e diffrazione dei raggi X (XRD). Questo studio propone una nuova prospettiva per ottimizzare la produzione target di biochar per applicazioni ambientali speciali.

Biochar, un tipo di materiale stabile ricco di carbonio con aromatizzazione ad alto livello generato dalla pirolisi della biomassa in condizioni di ossigeno limitato1,2. Il biochar è stato ampiamente utilizzato nella bonifica degli ioni di metalli pesanti nei corpi idrici grazie alla sua struttura unica dei pori, all'ampia area superficiale specifica e ai complessi gruppi funzionali superficiali attivi, nonché al suo grande potenziale nell'adsorbimento e nella rimozione dei metalli pesanti3,4 . Tuttavia, nell'applicazione pratica, le prestazioni di adsorbimento del biochar per gli ioni di metalli pesanti sono influenzate da molti fattori, come specie di biomassa, condizioni di preparazione, pH, dosaggio di biochar, tempo di reazione, tipi e concentrazione di ioni di metalli pesanti, ecc.3. Pertanto, lo studio sui fattori che influenzano l'adsorbimento dei metalli pesanti da parte del biochar è utile per migliorare l'effetto di adsorbimento nell'applicazione pratica.

Sebbene vi siano molti fattori che influenzano le prestazioni di adsorbimento del biochar, per la biomassa fissa e gli ioni fissi di metalli pesanti, le condizioni di preparazione diventano uno dei fattori più importanti. Le condizioni di preparazione del biochar includono principalmente la temperatura di pirolisi, il tempo di pirolisi e la velocità di riscaldamento, tra queste condizioni la temperatura di pirolisi ha un effetto significativo sulle prestazioni del biochar5,6,7. La temperatura della pirolisi ha un effetto sulla composizione elementare, sulla capacità di scambio cationico, sui gruppi funzionali superficiali contenenti ossigeno, sul grado di aromatizzazione, sull'area superficiale specifica, sulla struttura dei pori e sull'alcalinità del biochar6,8. Gli studi hanno dimostrato che con l'aumento della temperatura di pirolisi, il contenuto di idrogeno, zolfo, azoto e altri elementi nel biochar e il numero di gruppi funzionali superficiali contenenti ossigeno diminuiscono, la capacità di scambio cationico diminuisce e il grado di aromatizzazione aumenta. Questi cambiamenti non sono favorevoli all’adsorbimento del biochar negli ioni di metalli pesanti. All’aumentare della temperatura, aumentano l’area superficiale specifica, la struttura dei pori e l’alcalinità del biochar, il che favorisce l’adsorbimento degli ioni di metalli pesanti7,8,9,10,11. Il tempo di pirolisi influenza principalmente la composizione, l’area superficiale specifica e la struttura dei pori del biochar, mentre la velocità di riscaldamento influenza principalmente la resa del biochar12,13,14. Queste proprietà del biochar hanno un impatto sulle prestazioni di adsorbimento del biochar, ma queste proprietà devono essere caratterizzate dallo strumento corrispondente. Il processo tradizionale di produzione del biochar è: pirolisi, quindi caratterizzazione e infine applicazione. Il ruolo della caratterizzazione viene utilizzato principalmente per valutare le prestazioni del biochar. Allo stato attuale, la valutazione delle prestazioni di adsorbimento del biochar si concentra principalmente su gruppi funzionali, struttura superficiale, porosità, area superficiale specifica e così via15,16. Sebbene queste caratteristiche siano utili per valutare le prestazioni di adsorbimento del biochar, l'analisi di queste caratteristiche richiede apparecchiature avanzate. Se si caratterizzassero i biochar prodotti in ogni condizione di preparazione, il costo dell’analisi sarebbe troppo elevato e non sarebbe economicamente fattibile. Pertanto, è necessario trovare alcuni indicatori che siano facili da utilizzare, tempi di caratterizzazione ridotti, basso costo e che possano riflettere direttamente la capacità di adsorbimento del biochar sugli inquinanti per giudicare le prestazioni di adsorbimento. Nell'applicazione del biochar per adsorbire gli ioni di metalli pesanti, la funzione del biochar è quella di adsorbire e rimuovere gli ioni di metalli pesanti. Pertanto, se uno specifico ione di metallo pesante viene preso come inquinante target, la capacità di adsorbimento del biochar nell'inquinante target viene presa come indice per studiare le condizioni di preparazione del biochar. Caratterizziamo solo il biochar con la più forte capacità di adsorbimento, che può non solo ridurre il numero di campioni caratterizzati, ridurre i costi, ma anche riflettere in modo più intuitivo la capacità di adsorbimento del biochar degli inquinanti target e infine ottenere il biochar con la migliore capacità di adsorbimento di questo tipo di ioni di metalli pesanti. Diversi ioni di metalli pesanti hanno proprietà diverse. Pertanto, per un certo biochar, le sue prestazioni di adsorbimento per diversi ioni di metalli pesanti sono diverse. Per lo stesso biochar, sebbene possa adsorbire ioni di metalli pesanti nell'acqua, le sue prestazioni di adsorbimento di diversi ioni di metalli pesanti sono diverse, quindi la capacità di adsorbimento di alcuni ioni di metalli pesanti è limitata e la selettività di adsorbimento è scarsa4. Pertanto, abbiamo proposto il concetto di biochar target per lo ione di metalli pesanti target. Nello studio precedente degli autori, le condizioni ottimali di preparazione del biochar sono state studiate in base alla capacità di adsorbimento di Cd2+ e Pb2+, e gli studi hanno scoperto che diversi ioni di metalli pesanti corrispondevano a diverse condizioni di preparazione del biochar, che abbiamo chiamato biochar target17,18 . Per dimostrare ulteriormente la correttezza di questa visione, questa ricerca ha considerato Cu2+ e Zn2+ come inquinanti target, il giacinto d'acqua come materiale di biomassa per il biochar e ha adottato metodologie di superficie di risposta (RSM) per ottimizzare le condizioni di preparazione (temperatura di pirolisi, tempo di pirolisi e velocità di riscaldamento) che influenzano le prestazioni di adsorbimento del biochar, e sono stati ottenuti rispettivamente il biochar target BC-Cu (biochar per Cu2+) e BC-Zn (biochar per Zn2+). È necessario caratterizzare solo BC-Cu e BC-Zn, il che ha ridotto notevolmente il numero di campioni di caratterizzazione e i costi di produzione. Sono state studiate la cinetica di adsorbimento e le isoterme dei biochar target per gli ioni di metalli pesanti target. Questo studio fornisce supporto teorico e tecnico per la preparazione del biochar target per rimuovere gli inquinanti target. Il metodo proposto per rimuovere gli ioni di metalli pesanti target con biochar target può non solo far risparmiare biomassa, tempo e costi per la produzione di biochar, ma anche caratterizzare solo il biochar target per ridurre il numero di caratterizzazioni, riducendo così i costi di caratterizzazione. Ancora più importante, in termini di effetto di rimozione finale, gli ioni dei metalli pesanti target corrispondono al biochar target, che ha un effetto di rimozione migliore rispetto al metodo tradizionale di preparazione del biochar. Pertanto, questo studio fornisce una guida teorica e un supporto tecnico per il "controllo preciso degli inquinanti" del biochar.