酸碱协同处理鸡粪后热解制生物炭及其对Cd2+的吸附研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2025-0018

摘要/Abstract

摘要：

针对鸡粪资源化利用和废水镉污染的治理问题，以鸡粪为原料，通过湿法磷酸与氢氧化钾协同处理后，采用限氧热解法分别在300、500、700 ℃下热解制备生物炭（CMBC）。采用元素分析仪、比表面积与孔径分析仪、拉曼光谱仪、X射线荧光光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪等分析生物炭的基本特性，研究生物炭对Cd²⁺的吸附性能和作用机制。结果表明：热解温度由300 ℃升至500 ℃时，生物炭的产率、灰分、元素组成及孔径结构等理化性质变化显著，CMBC500的比表面积为141.64 m²/g、总孔容为0.141 1 cm³/g、平均孔径为4.82 nm，提高热解温度更有利于吸附，CMBC500的最大吸附量达99.28 mg/g，而当热解温度由500 ℃升至700 ℃时，生物炭的理化性质和吸附量均变化较小；生物炭吸附Cd²⁺的过程符合Elovich方程和Sips模型，为多种机制相互作用的非均相吸附过程；随着溶液初始pH的增加，生物炭对Cd²⁺的吸附作用增强，但Ca²⁺和Mg²⁺的存在会导致吸附量降低。根据吸附实验，CMBC对Cd²⁺的吸附是以物理吸附为主，静电作用、离子交换、官能团络合等化学吸附协同作用的结果。

关键词: 鸡粪, 生物炭, 吸附, 镉

Abstract:

Addressing the resource utilization of chicken manure and the management of cadmium pollution in wastewater，using chicken manure as raw material，after synergistic treatment with wet phosphoric acid and potassium hydroxide，biochar（CMBC） was prepared by limited oxygen pyrolysis at 300，500，and 700 ℃ respectively.Fundamental properties of the biochar were analyzed using elemental analysis，specific surface area and pore size distribution analyzers，Raman spectroscopy，X-ray fluorescence（XRF），and Fourier transform infrared spectroscopy（FT-IR）.The adsorption properties and mechanisms of biochar for Cd²⁺ were investigated.The results indicated that when the pyrolysis temperature was increased from 300 ℃ to 500 ℃，significant changes occurred in the physicochemical properties of biochar，including yield，ash content，elemental composition，and pore structure.The specific surface area of CMBC500 reached 141.64 m²/g，with a total pore volume of 0.141 1 cm³/g and an average pore diameter of 4.82 nm，demonstrating that higher pyrolysis temperatures were more conducive to adsorption.Notably，CMBC500 exhibited a maximum adsorption capacity of 99.28 mg/g.However，further increasing the pyrolysis temperature from 500 ℃ to 700 ℃ resulted in minimal changes in both the physicochemical properties and adsorption capacity of the biochar.The adsorption process of Cd²⁺ onto biochar was followed the Elovich equation and Sips model，suggesting a non-homogeneous adsorption process involving diverse mechanisms.With the increases of the initial solution pH，the adsorption capability of Cd²⁺ of biochar was improved.The presence of Ca²⁺ and Mg²⁺also led to a reduction in adsorption capacity.Based on the adsorption experiment，the adsorption of Cd²⁺ by CMBC was mainly physical adsorption，supplemented by chemical adsorption such as electrostatic interaction，ion exchange，and functional group complexation.

Key words: chicken manure, biochar, adsorption, cadmium

中图分类号:

TQ127.1

洪梦环, 纳森巴特, 王娅娅, 李双芹, 许德华, 严正娟, 刘伟, 王辛龙. 酸碱协同处理鸡粪后热解制生物炭及其对Cd²⁺的吸附研究[J]. 无机盐工业, 2026, 58(2): 68-75.

HONG Menghuan, NASEN Bate, WANG Yaya, LI Shuangqin, XU Dehua, YAN Zhengjuan, LIU Wei, WANG Xinlong. Study on preparation of biochar via pyrolysis of acid-base synergistically treated chicken manure and its adsorption performance for Cd²⁺[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2026, 58(2): 68-75.

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参考文献 20

[1]	冯巍，程群鹏，李胜兰，等.鸡粪热解制备生物炭及其对废水中磷的吸附性能研究［J］.武汉轻工大学学报，2021，40（1）：75-80.
	FENG Wei， CHENG Qunpeng， LI Shenglan，et al.Study on the preparation of biochar by pyrolysis of chicken manure and its adsorption performance for phosphorus in wastewater［J］.Journal of Wuhan Polytechnic University，2021，40（1）：75-80.
[2]	鞠天琛，於斯，李晓军，等.低温鸡粪生物质炭的制备及其对土壤理化性质的影响［J］.吉林农业大学学报，2020，42（3）：322-328.
	JU Tianchen， YU Si， LI Xiaojun，et al.Low temperature preparation of biochar from chicken manure and its effect on soil physicochemical properties［J］.Journal of Jilin Agricultural University，2020，42（3）：322-328.
[3]	RIGHI S， BANDINI V， MARAZZA D，et al.Life Cycle Assessment of high ligno-cellulosic biomass pyrolysis coupled with anaerobic digestion［J］.Bioresource Technology，2016，212：245-253.
[4]	YUAN Xinsong， HE Tao， CAO Hongliang，et al.Cattle manure pyrolysis process：Kinetic and thermodynamic analysis with isoconversional methods［J］.Renewable Energy，2017，107：489-496.
[5]	王维猛，武卫兵，冯季军.阴离子交换膜辅助电解还原法处理含镉废水：原理及优化［J］.环境化学，2022，41（12）：3955-3964.
	WANG Weimeng， WU Weibing， FENG Jijun.Anion exchange membrane-assisting electrochemical reduction treatment on Cd-containing wastewater：Principle and optimization［J］.Environmental Chemistry，2022，41（12）：3955-3964.
[6]	KIBRIA K Q， ISLAM M A， HOQUE S，et al.Variations in cadmium accumulation among amon rice cultivars in Bangladesh and associated human health risks［J］.Environmental Science and Pollution Research，2022，29（26）：39888-39902.
[7]	TOFIGHY M A， MOHAMMADI T.Adsorption of divalent heavy metal ions from water using carbon nanotube sheets［J］.Journal of Hazardous Materials，2011，185（1）：140-147.
[8]	CHA J S， PARK S， JUNG S，et al.Production and utilization of biochar：A review［J］.Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2016，40：1-15.
[9]	CAI Tong， DU Huihui， LIU Xiaoli，et al.Insights into the removal of Cd and Pb from aqueous solutions by NaOH-EtOH-modified biochar［J］.Environmental Technology & Innovation，2021，24：102031.
[10]	LI Bing， YANG Lan， WANG Changquan，et al.Adsorption of Cd（Ⅱ） from aqueous solutions by rape straw biochar derived from different modification processes［J］.Chemosphere，2017，175：332- 340.
[11]	YANG Wen， SHANG Jianying， LI Baoguo，et al.Surface and colloid properties of biochar and implications for transport in porous media［J］.Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2020，50（23）：2484-2522.
[12]	郜礼阳，邓金环，唐国强，等.不同温度桉树叶生物炭对Cd²⁺的吸附特性及机制［J］.中国环境科学，2018，38（3）：1001-1009.
	GAO Liyang， DENG Jinhuan， TANG Guoqiang，et al.Adsorption characteristics and Mechanism of Cd²⁺ on biochar with different pyrolysis temperatures produced from eucalyptus leaves［J］.China Environmental Science，2018，38（3）：1001-1009.
[13]	曹健华，刘凌沁，黄亚继，等.原料种类和热解温度对生物炭吸附Cd²⁺的影响［J］.化工进展，2019，38（9）：4183-4190.
	CAO Jianhua， LIU Lingqin， HUANG Yaji，et al.Effects of feedstock type and pyrolysis temperature on Cd²⁺adsorption by biochar［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2019，38（9）：4183-4190.
[14]	周蕾，陈兆兰，严玉波，等.鸡粪生物炭吸附固定铅的研究［J］.中国农业科技导报，2022，24（11）：199-207.
	ZHOU Lei， CHEN Zhaolan， YAN Yubo，et al.Application of chicken manure-derived biochar for adsorption of lead［J］.Journal of Agricultural Science and Technology，2022，24（11）：199-207.
[15]	LEE J I， CHOI D， KIM S，et al.Developing a sorptive material of cadmium from pyrolysis of hen manure［J］.Chemosphere，2024，351：141262.
[16]	KIM W K， SHIM T， KIM Y S，et al.Characterization of cadmium removal from aqueous solution by biochar produced from a giant Miscanthus at different pyrolytic temperatures［J］.Bioresource Technology，2013，138：266-270.
[17]	康彩艳，李秋燕，刘金玉，等.不同热解温度生物炭对Cd²⁺的吸附影响［J］.工业水处理，2021，41（5）：68-72，79.
	KANG Caiyan， LI Qiuyan， LIU Jinyu，et al.Effect of biochar at different pyrolysis temperatures on the adsorption of Cd²⁺ ［J］.Industrial Water Treatment，2021，41（5）：68-72，79.
[18]	WANG Shengsen， GAO Bin， ZIMMERMAN A R，et al.Removal of arsenic by magnetic biochar prepared from pinewood and natural hematite［J］.Bioresource Technology，2015，175：391-395.
[19]	MASZKOWSKA J， WAGIL M， MIODUSZEWSKA K，et al.Thermodynamic studies for adsorption of ionizable pharmaceuticals onto soil［J］.Chemosphere，2014，111：568-574.
[20]	宋朝霞，刘永康，郭耀坤，等.小麦秸秆生物炭对孔雀石绿吸附性能的研究［J］.无机盐工业，2024，56（9）：128-135.
	SONG Zhaoxia， LIU Yongkang， GUO Yaokun，et al.Study on adso-rption performance of wheat straw biochar on malachite green［J］.Inorganic Chemicals Industry，2024，56（9）：128-135.

生物炭	准一级动力学			准二级动力学			Elovich
生物炭	k₁/ min^-1	Q_e/ （mg·g^-1）	R²	k₂/（g·mg^-1·min^-1）	Q_e/ （mg·g^-1）	R²	α/（mg·g^-1·min^-1）	β/ （g·mg^-1）	R²
CMBC300	0.01	74.96	0.884 6	2.15×10^-4	83.24	0.953 7	4.11	0.067 5	0.992 8
CMBC500	0.03	88.27	0.782 0	4.66×10^-4	93.84	0.901 1	24.95	0.076 9	0.975 6
CMBC700	0.04	87.20	0.700 8	6.18×10^-4	92.40	0.858 8	39.47	0.082 4	0.985 1

等温吸附模型		CMBC300	CMBC500	CMBC700
Langmuir	Q_m/（mg·g^-1）	69.38	98.66	98.27
	k_L/（L·mg^-1）	2.20	3.55	2.49
	R²	0.934 1	0.962 3	0.951 9
Freundlich	k_F/（mg^1-1/nF·L^1/nF·g^-1）	40.37	59.80	57.91
	n_F	8.649	8.724	8.310
	R²	0.908 3	0.853 9	0.871 8
Sips	Q_m/（mg·g^-1）	75.38	102.31	103.9
	k_S/（L^nS·mg^nS）	1.287	2.260	1.692
	n_S	0.512 0	0.627 9	0.565 4
	R²	0.996 4	0.986 7	0.983 7
D-R	Q_m/（mg·g^-1）	66.90	96.54	95.86
	β₂/［mol²·（kJ^-1）²］	0.045 4	0.048 5	0.071 6
	R²	0.824 9	0.915 9	0.900 5

生物炭	T/℃	k_L/ （L·mg^-1）	ΔG⁰/ （kJ·mol^-1）	ΔH⁰/ （kJ·mol^-1）	ΔS⁰/（J·mol^-1·K^-1）
CMBC300	10	1.99	-1.62	3.99	19.87
	25	2.20	-1.95
	40	2.34	-2.21
CMBC500	10	2.54	-2.19	11.28	47.81
	25	3.55	-3.14
	40	4.01	-3.61
CMBC700	10	1.69	-1.24	17.03	64.52
	25	2.49	-2.26
	40	3.38	-3.17

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酸碱协同处理鸡粪后热解制生物炭及其对Cd²⁺的吸附研究

Study on preparation of biochar via pyrolysis of acid-base synergistically treated chicken manure and its adsorption performance for Cd²⁺

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[1]	武洁, 许春辉, 王峰, 唐忠锋. NaNO₃掺杂对氧化镁基CO₂吸附剂结构与吸脱附性能的影响[J]. 无机盐工业, 2026, 58(2): 60-67.
[2]	项子豪, 孙昌平, 陈思凡, 黄嘉柔, 张一凡, 邵长伟, 李杨, 张华. 磷石膏综合利用研究进展[J]. 无机盐工业, 2026, 58(2): 10-19.
[3]	吴凤龙, 宋瑾. 低分子质量抗泥型PCE光催化合成及其在高岭土上的吸附研究[J]. 无机盐工业, 2026, 58(1): 52-60.
[4]	王贵斌, 张宏伟, 刘丽娟, 赵鹬, 张栋强. 树脂改性对脱硫离子液中氟氯离子脱除性能的影响研究[J]. 无机盐工业, 2026, 58(1): 18-25.
[5]	彭欢玲, 崔巍, 雷红梅. 煤矸石制备磁性X型分子筛及其Pb²⁺吸附研究[J]. 无机盐工业, 2026, 58(1): 92-98.
[6]	陈建军, 李力, 刘来宝, 张岱宇, 姜晨曦, 竹含真, 王辅, 廖其龙. 石灰消化制备高比表面氢氧化钙及其铅吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2026, 58(1): 99-107.
[7]	陈蒙蒙, 徐德刊, 黄继龙, 唐志兰, 张许, 谭超, 王肖虎, 彭文博. 镍改性钛系锂离子筛的制备及性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(9): 37-45.
[8]	王志刚, 胡晓东, 王辉, 薛亮钢, 田健强. NO₂^-改性水滑石的制备及其对钢筋阻锈性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(8): 74-81.
[9]	韩星, 史丹丹, 王兴权, 张天应, 曹悦, 王怡莹, 朱祥, 许乃才. 十二烷基硫酸钠改性镁铝水滑石及对Pb²⁺的吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(8): 48-57.
[10]	赵雪卿, 王中慧, 王永伟, 王志雨, 霍晓东. 废弃香烟过滤嘴基氮掺杂多孔炭的制备及吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(7): 110-119.
[11]	杨晶晶, 徐晨晨, 朱丽燕, 蒯强, 吴兵党, 黄天寅. 碳酸钾活化藻基生物炭吸附去除水中硝基咪唑类抗生素研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(7): 99-109.
[12]	杨恒宇, 莫恒亮, 李天玉, 吕龙, 陈亦力, 王珞聪, 赵文芳, 刘曼曼. 利用混晶TiO₂为钛源合成高耐酸性钛系锂离子筛的研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(7): 57-63.
[13]	张涵飞, 申红艳, 刘有智. MG复合材料的制备及其对甲基橙的吸附性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(6): 100-107.
[14]	庞皓, 李滨, 孙振海, 郭健, 蔡哲, 武鲁明, 洪美花, 杨占峰. 铁掺杂改性SiO₂的吸附脱氮性能研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(6): 49-55.
[15]	孙梦媛, 何伟, 王晨. 氧化镁纤维及其复合纤维制备与吸附领域研究进展[J]. 无机盐工业, 2025, 57(5): 1-10.

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