[发明专利]一种去除溶液中镉的生物炭制备的响应曲面优化方法

说明书

本发明公开了一种去除溶液中镉的生物炭制备的响应曲面优化方法，包括如下步骤：(1)生物质的制备；(2)单因素试验：以生物质粒径、浸渍比、热解温度和热解时间为主要变量，将生物质原料置于氮气气氛下的管式炉中进行高温热解获得的生物炭进行单因素试验，并计算生物炭的产率；(3)响应曲面优化方法：根据单因素试验结果，利用Design expert 8.0软件根据Box‑Behnken设计原则进行实验设计，建立二次多元回归模型方程：(4)利用Design expert 8.0软件根据二次多元回归模型方程进行绘图分析自变量和响应值的关系，得到回归方程的响应曲面图，确定生物炭最优制备工艺。本发明制备方法简单，可操作性强，利用响应曲面法优化生物炭的制备工艺，能够保证在生物炭产率较高的情况下达到溶液中镉的高效去除目的，实现了经济性和高效性的双重目标。

技术领域

本发明涉及环境保护技术领域，特别涉及一种去除溶液中镉的生物炭制备的响应曲面优化方法。

背景技术

镉是一种对人类有害的微量元素，现代研究表明其与多种类型的皮肤癌，膀胱癌和肺癌有关。环境中天然存在的和人为的镉污染源包括地热区，带有镉的硫化物矿床，家禽垫料和工业废物等。由于镉具有极高的毒性和不可生物降解性，对整个农业生产的安全构成了严重威胁。因此，开发经济有效和可靠的修复技术来治理环境中的镉污染已经刻不容缓。

常见的镉污染处理技术包括化学氧化，沉淀，吸附交换，反渗透和膜分离等。在这些方法中，将镉吸附到特定的吸附剂上是最有效的策略之一，并且可以使用各种各样的吸附剂。在这些吸附剂中，生物炭是一种富含碳的固体，是由农作物残渣，污泥，木材废料，粪便和沼气残渣在高温和氮气气氛下热解制得的，具有出色的热稳定性和良好的理化特性。

近年来，生物炭已显示出对土壤和水体中污染物吸附的巨大潜力，尤其是在去除废水体中的重金属镉。生物炭对重金属的作用机制包括物理吸附、离子交换、官能团络合等，而上述所涉及的作用机制与生物炭的原料、热解温度等因素密切相关。因此，对生物炭制备过程中的多个变量进行重点研究，将有利于提高生物炭对重金属的吸附性能。由于生物炭的制备工艺受多种因素的相互干扰，无法进行单独割裂，因此有必要引入可行的方法以考虑不同因素的影响能力。而响应曲面法被认为是研究两个或两个以上因素之间相互作用的有效工具，是建立模型和分析独立因素相互作用的一种统计方法。与传统的正交设计方法相比，响应曲面法是更经济且时间消耗更少的方法，是一种综合的研究方法。同时能从模型和图形分析的角度入手全面分析不同影响因素的差异显著性，从而得到最佳的实验参数。

目前对于生物炭制备工艺的探讨较为片面，未能全面分析多种因素的相互影响。因此，本发明通过引入响应曲面法以考虑多因素间的相互作用，确定生物炭的最佳制备工艺，以实现对溶液中镉的高效去除，具有重要的意义。

发明内容

本发明目的是为了克服单因素实验的不足而提供一种利用响应曲面法，以对生物炭的理化性质具有重要影响的参数进行研究，优化生物炭对溶液中镉的去除效率，这些参数包括生物质粒径、浸渍比、热解温度和热解时间。

本发明以如下技术方案解决上述技术问题：

(1)生物炭的制备：

收割农作物秸秆，经过洗涤、烘干、破碎并过筛后得到生物质原料，将生物质原料通过活化剂进行浸渍处理，然后过滤并烘干；将生物质原料置于氮气气氛下的管式炉中进行高温热解获得生物炭；

(2)单因素试验：

以生物质粒径、浸渍比、热解温度和热解时间为主要变量，对制备的生物炭吸收溶液中的镉进行单因素试验，并计算生物炭的产率；

(3)响应曲面优化方法：