Preparation and Adsorption Behaviors of a Biochar from Chinese Medicine Wastes with High Moisture

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.04.002

Abstract

Abstract:

Biochar with developed pore structure was prepared by using high?humidity Chinese herbal medicine wastes (CHMWs) as raw material, using the water vapor generated by its own water under a high temperature environment for physical activation，and the effects of moisture content, activation temperature and activation time on the performance of biochar were investigated. The performance of biochar was analyzed by physical adsorption instrument, Fourier transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy and other instruments, and the optimal reaction conditions for biochar preparation were obtained, and the activation mechanism of biochar prepared from CHMWs was discussed. The prepared biochar was used to adsorb wastewater containing Cd²⁺ and Cu²⁺, and the adsorption kinetics were discussed. The experimental results showed that under the conditions of 700 ℃ heating temperature, 60 min heating time and 50% moisture content of the CHMWs, the biochar with a specific surface area of 309.29 m²/g and a pore volume of 0.116 8 cm³/g and was obtained. The experimental results of adsorption showed that the adsorption kinetics on Cu²⁺and Cd²⁺ conformed to the quasi second order kinetic equation, and the optimal adsorption capacities of Cu²⁺ and Cd²⁺ were 20.66 mg/g and 17.41 mg/g respectively.

Key words: Chinese herbal medicine wastes (CHMWs), Biochar, Adsorption

摘要：

以高湿中药废渣为原料，利用其自身水分在高温环境下受热生成的水蒸气进行物理活化，制备了孔隙结构发达的生物炭；考察了中药渣含水率、活化温度和活化时间对生物炭性能的影响，并利用物理吸附仪、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜等对生物炭的性能进行了分析，获得了制备生物炭的最佳反应条件，同时对高湿中药废渣制备生物炭的活化机理进行了探讨；将制备的生物炭用于吸附Cu²⁺与Cd²⁺废水，探讨了其吸附动力学。结果表明，在活化温度为700 ℃、活化时间为60 min、中药废渣含水率为50%的条件下，制得的生物炭比表面积为309.29 m²/g，且以微孔为主，微孔孔容达0.116 8 cm³/g；生物炭对Cu²⁺与Cd²⁺的吸附动力学均符合准二级动力学方程，Cu²⁺与Cd²⁺的最佳吸附量分别为20.66、17.41 mg/g。

关键词: 中药废渣, 生物炭, 吸附

CLC Number:

TQ424

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Figures/Tables 15

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元素或成分	数值	元素或成分	数值
w（C）/%	42.740	w（灰分）/%	4.375
w（H）/%	6.045	w（木质素）/%	43.600
w（N）/%	1.530	w（纤维素）/%	38.600
w（S）/%	0.079	w（半纤维素）/%	13.400
w（O）/%	45.231

元素或成分	数值	元素或成分	数值
w（C）/%	42.740	w（灰分）/%	4.375
w（H）/%	6.045	w（木质素）/%	43.600
w（N）/%	1.530	w（纤维素）/%	38.600
w（S）/%	0.079	w（半纤维素）/%	13.400
w（O）/%	45.231

原料	预处理情况	活化温度/℃	活化时间/min	活化剂	浸渍比	比表面积/(m²·g^-1)	总孔容/(cm³·g^-1)	备注	文献
中药渣	—	700	60	—	—	309.29	0.166 2	含水率为50%	本文
葵花籽壳颗粒	干燥	530	10	—	—	2.91	—		[18]
松木	干燥	700	120	—	—	29.00	—	N₂氛围	[19]
鱼骨	干燥	538	96	—	—	32.14	0.165 0	N₂氛围	[20]
豆科植物木屑	110 ℃干燥过夜	850	120	KOH	1∶1	125.70	0.070 0	N₂氛围	[21]
水稻秸秆	干燥	800	20	CO₂	—	191.55	0.130 6	物理活化	[22]
水稻秸秆	干燥	800	20	水蒸气	—	164.96	0.093 2	物理活化	[22]
水稻秸秆	干燥	800	20	N₂	—	41.66	0.032 6	物理活化	[22]
茶渣	过100目	700	60	—	—	27.51	—		[23]
稻壳	30~40目	800	60~180	—	—	17.89	0.020 0	N₂氛围	[24]
稻壳	30~40目	900	60~180	—	—	28.27	0.030 0	N₂氛围	[24]

原料	预处理情况	活化温度/℃	活化时间/min	活化剂	浸渍比	比表面积/(m²·g^-1)	总孔容/(cm³·g^-1)	备注	文献
中药渣	—	700	60	—	—	309.29	0.166 2	含水率为50%	本文
葵花籽壳颗粒	干燥	530	10	—	—	2.91	—		[18]
松木	干燥	700	120	—	—	29.00	—	N₂氛围	[19]
鱼骨	干燥	538	96	—	—	32.14	0.165 0	N₂氛围	[20]
豆科植物木屑	110 ℃干燥过夜	850	120	KOH	1∶1	125.70	0.070 0	N₂氛围	[21]
水稻秸秆	干燥	800	20	CO₂	—	191.55	0.130 6	物理活化	[22]
水稻秸秆	干燥	800	20	水蒸气	—	164.96	0.093 2	物理活化	[22]
水稻秸秆	干燥	800	20	N₂	—	41.66	0.032 6	物理活化	[22]
茶渣	过100目	700	60	—	—	27.51	—		[23]
稻壳	30~40目	800	60~180	—	—	17.89	0.020 0	N₂氛围	[24]
稻壳	30~40目	900	60~180	—	—	28.27	0.030 0	N₂氛围	[24]

金属离子	温度/℃	准一级动力学			准二级动力学			Q/ (mg·g^-1)
金属离子	温度/℃	q_e/ (mg·g^-1)	K₁/min^-1	R²	q_e/ (mg·g^-1)	K₂/ (g·mg^-1·min^-1)	R²	Q/ (mg·g^-1)
Cu²⁺	600	9.95	0.251 8	0.977 5	11.43	0.026 2	0.988 8	10.57
	700	19.90	0.191 2	0.970 8	22.33	0.012 0	0.972 8	20.66
	800	12.60	0.188 7	0.967 7	14.57	0.016 0	0.989 2	13.32
Cd²⁺	600	8.22	0.529 5	0.895 6	9.05	0.075 0	0.974 4	9.04
	700	16.92	0.830 9	0.978 5	18.02	0.067 8	0.990 9	17.41
	800	11.66	0.705 6	0.975 7	12.57	0.077 7	0.985 6	12.36