高比表面積を有するKOH活性多孔質バイオ炭による水中の六価クロム及びナフタレンの吸着除去。その影響因子、メカニズム、再利用性の検討

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J. Hazard. Mater..2020 Jun;401:123292. S0304-3894(20)31281-4. doi: 10.1016/j.jhazmat.2020.123292.Epub 2020-06-23.

高比表面積を有するKOH活性多孔質バイオ炭による水中の六価クロム及びナフタレンの吸着除去。その影響因子、メカニズム、再利用性の検討

KOH-activated porous biochar with high specific surface area for adsorptive removal of chromium (VI) and naphthalene from water: Affecting factors, mechanisms and reusability exploration.

Jianhua Qu
Yuxin Wang
Xue Tian
Zhao Jiang
Fengxia Deng
Yue Tao
Qun Jiang
Lei Wang
Ying Zhang

PMID: 32645546 DOI: 10.1016/j.jhazmat.2020.123292.

抄録

本研究では、トウモロコシ藁の二段階熱分解とKOHの化学活性化により、PBCと呼ばれる高性能多孔質バイオ炭の合成に成功し、水からの六価クロム及びナフタレン（NAP）の除去に適用した。KOH活性化により、PBCは2183.80m/gという巨大な比表面積を有し、平均粒径2.75nm、主細孔径1〜2nmの微細孔が多数形成されていることがわかった。PBCは、理論単分子膜の六価クロム吸着量が116.97 mg/g、NAPの不均一吸着量が450.43 mg/gと優れた吸着性能を示した。吸着平衡は、六価クロムでは約120分以内に、NAPでは約180分以内に達成され、吸着中の複数のカイネティクスが存在することが明らかになった。熱力学的な結果から、Cr(VI)とNAPの吸着は自然に(-ΔG°)、一方、Cr(VI)は吸熱性(+ΔH°)、NAPは発熱性(-ΔH°)であり、ランダム性が異なることがわかった。さらに、PBCは、細孔充填とπ-π積層相互作用により高いNAP取り込みを実現しつつ、主に静電引力,錯形成,イオン交換,還元作用の組み合わせにより、Cr(VI)吸着を促進していると考えられる。

Herein, a high-performance porous biochar described as PBC was successfully synthesized by two-step pyrolysis of corn straw with chemical activation of KOH, and was employed for the elimination of Cr(VI) and naphthalene (NAP) from water. Benefiting from KOH activation, the PBC was found to possess huge specific surface area of 2183.80 m/g and many well-developed micropores with average particle size of 2.75 nm and main pore diameters distribution from 1 to 2 nm. The PBC presented an excellent adsorption performance with a theoretical monolayer uptake of 116.97 mg/g for Cr(VI) and a heterogeneous adsorption capacity of 450.43 mg/g for NAP. The uptake equilibrium was attained within about 120 min for Cr(VI), while about 180 min for NAP following avrami fractional-order model, revealing the existence of multiple kinetics during the adsorption. The thermodynamic results showed that the uptake of both Cr(VI) and NAP occurred spontaneously (-ΔG°), while in an endothermic nature for Cr(VI) (+ΔH°) and an exothermic characteristic for NAP (-ΔH°) with different randomness. Furthermore, the PBC was believed to enhance the Cr(VI) adsorption mainly through the combination of electrostatic attraction, complexation, ion exchange and reduction action, while achieving the high NAP uptake by pore filling and π-π stacking interactions.