松树皮提取物增值制备微孔生物炭及其对二嗪磷吸附性能的增强作用

《Biomass and Bioenergy》：Valorization of pine bark extracts for microporous biochar production and enhanced diazinon adsorption performance

　　

亮点

本研究探讨了松树皮热水提取物（HWE）对生物炭（BC）理化性质及其吸附二嗪磷效率的影响。研究发现，以提取物直接制备的生物炭（HWE-BC）具有最大比表面积（967.10 m²/g）和最高二嗪磷去除率（71.36%），吸附机制涉及疏水作用、π–π堆积和氢键等。该研究为林业副产物高值化利用及农药污染治理提供了新策略。

松树皮、其热水提取物及衍生生物炭的组成、元素、热稳定性、形态和微观结构特征

松树皮（PB）的化学组成测定为13.49%纤维素、6.29%半纤维素、64.41%木质素、10.36%热水提取物（HWE）和3.27%酒精-苯提取物（表1）。本研究中，酒精-苯提取物含量显著低于HWE，因此研究主要聚焦于HWE对生物炭特性和二嗪磷吸附行为的影响。与木质生物质相比，树皮的纤维素和半纤维素含量显著较低，而木质素和提取物含量较高。HWE富含酚类化合物、单宁和其他已知在热解过程中影响碳结构的低分子量化合物。通过元素分析、热重分析（TGA）、扫描电子显微镜（SEM）和氮吸附测量对三种生物炭——松树皮生物炭（PB-BC）、热水提取后松树皮生物炭（PB/HW-BC）和热水提取物生物炭（HWE-BC）进行了表征。PB/HW-BC与PB-BC相比，显示出更高的碳含量、更低的氧含量，以及改善的芳香性和热稳定性。提取物的去除还促进了微孔的发育，增强了二嗪磷的吸附潜力。有趣的是，最高的二嗪磷去除效率在HWE-BC中观察到，其表现出最大的比表面积（967.10 m²/g）和微孔表面积（1004.62 m²/g）。二嗪磷去除率遵循以下顺序：HWE-BC（71.36%）> PB/HW-BC（64.00%）> PB-BC（52.68%）。

结论

本研究调查了松树皮热水提取物（HWE）对生物炭理化性质及其对二嗪磷吸附性能的影响。热水提取后松树皮制备的生物炭（PB/HW-BC）与未经处理的生物炭（PB-BC）相比，表现出改善的吸附能力，表明水溶性化合物的去除增强了表面发育和孔隙率。值得注意的是，直接由热水提取物衍生的生物炭（HWE-BC）表现出最高的二嗪磷吸附效率，这归因于其优越的孔隙特性，包括最大的比表面积和微孔表面积。吸附等温线和动力学分析表明，吸附过程遵循Freundlich模型和伪二级动力学，表明这是一个以化学吸附为主的多层吸附过程。吸附机制主要由疏水相互作用、芳香结构之间的π–π堆积、氢键以及二嗪磷的硫代磷酸酯基团（–O–PS）与生物炭表面官能团（如–OH和–COOH）之间的特定相互作用驱动。这些发现凸显了树皮提取物不仅作为生物炭生产的前体，而且作为影响孔隙发育和吸附效率的功能剂的潜力。