Otimização do biochar alvo para a adsorção do íon de metal pesado alvo

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13662 (2022) Citar este artigo

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O objetivo deste trabalho é estudar as condições de pirólise do biocarvão alvo adequado para o íon de metal pesado alvo, caracterizar o biocarvão alvo otimizado e estudar o desempenho de adsorção do biocarvão. Com Cu2+ e Zn2+ como poluentes alvo, as condições de pirólise envolvidas no processo de preparação como temperatura de pirólise, tempo de pirólise e taxa de aquecimento foram avaliadas e otimizadas a partir de Box–Behnken Design (BBD), metodologia de superfície de resposta (RSM) e função de desejabilidade, as condições de pirólise otimizadas do biochar alvo para Cu2+ (Cu-BC) e Zn2+ (Zn-BC) foram obtidas. Os parâmetros ótimos de pirólise para Cu-BC e Zn-BC foram tempo de pirólise de 3,09 e 2,19 h, temperatura de pirólise de 425,27 e 421,97 °C e taxa de aquecimento de 19,65 e 15,88 °C/min. A cinética de pseudo segunda ordem e o modelo de isoterma de Langmuir mostraram-se os mais adequados para os dados de equilíbrio, com uma capacidade máxima de adsorção (Qmax) ajustada pelo modelo de Langmuir de 210,56 mg/g para Cu2+ por Cu-BC e 223,32 mg/g para Zn2+ por Zn-BC, ambos superiores ao Qmax de biochar não otimizado (BC) para Cu2+ (177,66 mg/g) e Zn2+ (146,14 mg/g). As propriedades físicas, estrutura química, propriedades químicas de superfície de Cu-BC e Zn-BC foram caracterizadas por medidor de potencial Zeta, microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de raios-X de energia dispersiva (SEM-EDX), espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), e difração de raios X (XRD). Este estudo apresenta uma nova perspectiva para otimizar a produção de biocarvão alvo para aplicações ambientais especiais.

Biochar, um tipo de material rico em carbono estável com alto nível de aromatização gerado pela pirólise da biomassa sob condições limitadas de oxigênio1,2. Biochar tem sido amplamente utilizado na remediação de íons de metais pesados ​​em corpos d'água devido à sua estrutura única de poros, grande área de superfície específica e complexos grupos funcionais ativos de superfície, bem como seu grande potencial na adsorção e remoção de metais pesados3,4 . No entanto, na aplicação prática, o desempenho de adsorção de biochar para íons de metais pesados ​​é afetado por muitos fatores, como espécies de biomassa, condições de preparação, pH, dosagem de biochar, tempo de reação, tipos e concentração de íons de metais pesados, etc.3. Portanto, o estudo dos fatores que afetam a adsorção de metais pesados ​​pelo biocarvão é benéfico para melhorar o efeito de adsorção na aplicação prática.

Embora existam muitos fatores que afetam o desempenho de adsorção do biocarvão, para biomassa fixa e íons de metais pesados ​​fixos, as condições de preparação se tornam um dos fatores mais importantes. As condições de preparação do biochar incluem principalmente temperatura de pirólise, tempo de pirólise e taxa de aquecimento, entre essas condições a temperatura de pirólise tem um efeito significativo no desempenho do biochar5,6,7. A temperatura da pirólise tem efeito sobre a composição elementar, capacidade de troca catiônica, grupos funcionais contendo oxigênio na superfície, grau de aromização, área superficial específica, estrutura dos poros e alcalinidade do biocarvão6,8. Estudos mostraram que com o aumento da temperatura de pirólise, o conteúdo de hidrogênio, enxofre, nitrogênio e outros elementos no biocarvão e o número de grupos funcionais de superfície contendo oxigênio diminuem, a capacidade de troca catiônica diminui e o grau de aromatização aumenta. Essas mudanças não são favoráveis ​​para a adsorção do biochar aos íons de metais pesados. À medida que a temperatura aumenta, a área superficial específica, a estrutura dos poros e a alcalinidade do biochar aumentam, o que favorece a adsorção de íons de metais pesados7,8,9,10,11. O tempo de pirólise afeta principalmente a composição, área de superfície específica e estrutura de poros do biochar, enquanto a taxa de aquecimento afeta principalmente o rendimento do biochar12,13,14. Essas propriedades do biochar têm um impacto no desempenho de adsorção do biochar, mas essas propriedades precisam ser caracterizadas pelo instrumento correspondente. O processo tradicional de produção do biochar é: pirólise, depois caracterização e, finalmente, aplicação. O papel da caracterização é usado principalmente para avaliar o desempenho do biochar. Atualmente, a avaliação do desempenho de adsorção de biocarvão concentra-se principalmente em grupos funcionais, estrutura de superfície, porosidade, área de superfície específica e assim por diante15,16. Embora essas características sejam boas para avaliar o desempenho de adsorção do biochar, a análise dessas características requer equipamentos avançados. Se os biochars produzidos sob todas as condições de preparação forem caracterizados, o custo da análise é muito alto e não é economicamente viável. Portanto, é necessário encontrar alguns indicadores que sejam fáceis de operar, menos tempo de caracterização, baixo custo e que possam refletir diretamente a capacidade de adsorção do biocarvão em poluentes para julgar o desempenho da adsorção. Na aplicação de biochar para adsorver íons de metais pesados, a função do biochar é adsorver e remover íons de metais pesados. Portanto, se um íon de metal pesado específico é tomado como o poluente alvo, a capacidade de adsorção do biochar ao poluente alvo é tomada como o índice para investigar as condições de preparação do biochar. Caracterizamos apenas o biochar com a capacidade de adsorção mais forte, o que pode não apenas reduzir o número de amostras caracterizadas, reduzir o custo, mas também refletir mais intuitivamente a capacidade de adsorção do biochar de poluentes alvo e, finalmente, obter o biochar com a melhor capacidade de adsorção de este tipo de íons de metais pesados. Diferentes íons de metais pesados ​​têm propriedades diferentes. Portanto, para um determinado biochar, seu desempenho de adsorção para diferentes íons de metais pesados ​​é diferente. Para o mesmo biochar, embora possa adsorver íons de metais pesados ​​em água, seu desempenho de adsorção de diferentes íons de metais pesados ​​é diferente, então a capacidade de adsorção de alguns íons de metais pesados ​​é limitada e a seletividade de adsorção é pobre4. Portanto, propusemos o conceito de biocarvão alvo para o íon de metal pesado alvo. No estudo anterior dos autores, as condições ótimas de preparação do biochar foram investigadas de acordo com a capacidade de adsorção de Cd2+ e Pb2+, e os estudos descobriram que diferentes íons de metais pesados ​​correspondiam a diferentes condições de preparação de biochars, que chamamos de alvo biochar17,18 . Para provar ainda mais a correção dessa visão, esta pesquisa tomou Cu2+ e Zn2+ como poluentes alvo, jacinto de água como material de biomassa para biochar e adotou metodologias de superfície de resposta (RSM) para otimizar as condições de preparação (temperatura de pirólise, tempo de pirólise e taxa de aquecimento) que afetam o desempenho de adsorção do biochar, e o alvo biochar BC-Cu (biochar para Cu2+) e BC-Zn (biochar para Zn2+) foram obtidos, respectivamente. Apenas BC-Cu e BC-Zn precisam ser caracterizados, o que reduziu bastante o número de amostras de caracterização e o custo de produção. A cinética de adsorção e isotermas de biochars alvo para íons de metais pesados ​​alvo foram estudadas. Este estudo fornece suporte teórico e técnico para a preparação do biochar alvo para remover os poluentes alvo. O método proposto de remoção de íons de metais pesados ​​alvo com biochar alvo pode não apenas economizar biomassa, tempo e custo para a produção de biochar, mas também apenas caracterizar o biochar alvo para reduzir o número de caracterizações, reduzindo assim o custo de caracterização. Mais importante ainda, em termos de efeito de remoção final, os íons de metais pesados ​​alvo correspondem ao biochar alvo, que tem um melhor efeito de remoção em comparação com o método tradicional de preparação de biochar. Portanto, este estudo fornece orientação teórica e suporte técnico para "controle preciso de poluentes" de biochar.