[發明專利]一種去除溶液中鎘的生物炭制備的響應曲面優化方法

在審

• 申請號: 202010805211.8
• 申請日: 2020-08-11
• 公開（公告）號: CN111948346A
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 郭華;張亞平;施春華;陳振焱;胡超
• 申請（專利權）人: 江蘇省地質工程勘察院;東南大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01N1/28;G01N1/30;G01N1/44;G06F17/18
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 朱少華

本發明公開了一種去除溶液中鎘的生物炭制備的響應曲面優化方法，包括如下步驟：(1)生物質的制備；(2)單因素試驗：以生物質粒徑、浸漬比、熱解溫度和熱解時間為主要變量，將生物質原料置于氮氣氣氛下的管式爐中進行高溫熱解獲得的生物炭進行單因素試驗，并計算生物炭的產率；(3)響應曲面優化方法：根據單因素試驗結果，利用Design expert 8.0軟件根據Box?Behnken設計原則進行實驗設計，建立二次多元回歸模型方程：(4)利用Design expert 8.0軟件根據二次多元回歸模型方程進行繪圖分析自變量和響應值的關系，得到回歸方程的響應曲面圖，確定生物炭最優制備工藝。本發明制備方法簡單，可操作性強，利用響應曲面法優化生物炭的制備工藝，能夠保證在生物炭產率較高的情況下達到溶液中鎘的高效去除目的，實現了經濟性和高效性的雙重目標。

技術領域

本發明涉及環境保護技術領域，特別涉及一種去除溶液中鎘的生物炭制備的響應曲面優化方法。

背景技術

鎘是一種對人類有害的微量元素，現代研究表明其與多種類型的皮膚癌，膀胱癌和肺癌有關。環境中天然存在的和人為的鎘污染源包括地熱區，帶有鎘的硫化物礦床，家禽墊料和工業廢物等。由于鎘具有極高的毒性和不可生物降解性，對整個農業生產的安全構成了嚴重威脅。因此，開發經濟有效和可靠的修復技術來治理環境中的鎘污染已經刻不容緩。

常見的鎘污染處理技術包括化學氧化，沉淀，吸附交換，反滲透和膜分離等。在這些方法中，將鎘吸附到特定的吸附劑上是最有效的策略之一，并且可以使用各種各樣的吸附劑。在這些吸附劑中，生物炭是一種富含碳的固體，是由農作物殘渣，污泥，木材廢料，糞便和沼氣殘渣在高溫和氮氣氣氛下熱解制得的，具有出色的熱穩定性和良好的理化特性。

近年來，生物炭已顯示出對土壤和水體中污染物吸附的巨大潛力，尤其是在去除廢水體中的重金屬鎘。生物炭對重金屬的作用機制包括物理吸附、離子交換、官能團絡合等，而上述所涉及的作用機制與生物炭的原料、熱解溫度等因素密切相關。因此，對生物炭制備過程中的多個變量進行重點研究，將有利于提高生物炭對重金屬的吸附性能。由于生物炭的制備工藝受多種因素的相互干擾，無法進行單獨割裂，因此有必要引入可行的方法以考慮不同因素的影響能力。而響應曲面法被認為是研究兩個或兩個以上因素之間相互作用的有效工具，是建立模型和分析獨立因素相互作用的一種統計方法。與傳統的正交設計方法相比，響應曲面法是更經濟且時間消耗更少的方法，是一種綜合的研究方法。同時能從模型和圖形分析的角度入手全面分析不同影響因素的差異顯著性，從而得到最佳的實驗參數。

目前對于生物炭制備工藝的探討較為片面，未能全面分析多種因素的相互影響。因此，本發明通過引入響應曲面法以考慮多因素間的相互作用，確定生物炭的最佳制備工藝，以實現對溶液中鎘的高效去除，具有重要的意義。

發明內容

本發明目的是為了克服單因素實驗的不足而提供一種利用響應曲面法，以對生物炭的理化性質具有重要影響的參數進行研究，優化生物炭對溶液中鎘的去除效率，這些參數包括生物質粒徑、浸漬比、熱解溫度和熱解時間。

本發明以如下技術方案解決上述技術問題：

(1)生物炭的制備：

收割農作物秸稈，經過洗滌、烘干、破碎并過篩后得到生物質原料，將生物質原料通過活化劑進行浸漬處理，然后過濾并烘干；將生物質原料置于氮氣氣氛下的管式爐中進行高溫熱解獲得生物炭；

(2)單因素試驗：

以生物質粒徑、浸漬比、熱解溫度和熱解時間為主要變量，對制備的生物炭吸收溶液中的鎘進行單因素試驗，并計算生物炭的產率；

(3)響應曲面優化方法：