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Jul 10, 2023

水からソルガムわらバイオ炭へのアンモニウムの吸着挙動と性能

Scientific Reports volume 12、記事番号: 5358 (2022) この記事を引用 1999 アクセス 10 引用 1 Altmetric Metrics の詳細 ソルガムは酒類の生産と醸造に広く使用されてきましたが、

Scientific Reports volume 12、記事番号: 5358 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ソルガムは酒類の製造や醸造に広く利用されてきましたが、ソルガムわら（SS）をいかに有効活用するかが喫緊の課題となっています。 一方、ワイン醸造で発生する廃水は、アンモニウム濃度が高い典型的な有機廃水です。 SS の資源利用の問題を解決し、水からアンモニウムを除去するために、SS を使用してアンモニア吸着用の吸着剤としてバイオ炭を調製しました。 モロコシわらバイオ炭(SSB)へのアンモニウムの影響因子と吸着機構を研究するためにバッチ吸着実験を実施した。 結果は、SSB の吸着能力が SS の吸着能力よりもはるかに高いことを示しました。 300 °C で熱分解した SSB は最も高い吸着容量を持っていました。 好ましい pH は 6 ～ 10 で、最適投与量は 2.5 g/L でした。 吸着プロセスと挙動は、擬二次反応速度論およびラングミュア等温吸着モデルに準拠しました。 SSB の 45 ℃における最大アンモニウム吸着容量は 7.09 mg/g であり、SS の 7.60 倍に相当します。 SSおよびSSBのアンモニア吸着は主に化学吸着でした。 再生試験では、SSB が 3 回の吸着再生サイクル後に良好な再生性能を示すことが示されました。 この研究は、資源リサイクルの目的を達成するために、SSB がアンモニアを含む下水処理に潜在的に適用できる可能性を示唆しています。

アンモニウムは廃水中の窒素の主な形態の 1 つです。 大量のアンモニウムが水環境に流入すると、深刻な環境汚染を引き起こし、人間の健康を脅かす可能性があります1,2。 したがって、水環境の質を確保するために、廃水からのアンモニウムの効果的な管理と除去が必要とされています3。 現在、水中のアンモニウムを除去するために一般的に使用されている処理には、主にイオン交換、化学的沈殿、吸着、生物学的硝化/脱窒、物理化学などが含まれます4、5、6、7、8。 その中でも吸着法が最も有望な処理法と考えられています。 装置面積が小さく、除去効率が高く、プロセスが簡単で、吸着剤が再生可能であるという利点があります9。 ただし、吸着効果の異なる多くの種類の吸着剤が存在します10、11、12。 一部の吸着剤（活性炭、粘土鉱物、カーボンナノチューブ、グラフェンなど）は優れた吸着効果を持っていますが、わらくずから調製したバイオ炭に比べてコストが高くなります。 例えば、活性炭の活性化温度は高く、活性化プロセスはバイオ炭よりも複雑です13。 そのため、低コストで高効率な吸着剤の研究開発がこの分野で注目を集めています。

酒類の主原料の一つであるソルガムは、酒類の生産量の増加に伴い作付面積が増加し、大量のソルガムわら（SS）廃棄物が発生しています。 2019年、中国のソルガムの収量は722万7000トンに達した。 ソルガムと SS の比率によると、SS の生産量は 939 万 5,000 トンに達すると推定されている14。 現在、SS 資源の利用方法には、主にフィールドに戻すわら、飼料、わらエネルギー、わら基材などが含まれます。SS の利用率は、技術レベル、経済性、市場での受け入れの限界により、依然として比較的低く、資源として利用されるのはごく一部で、ほとんどが野焼きで処分されています。 それは資源の無駄遣いを引き起こすだけでなく、農村部の自然環境の汚染にもつながります。 そのため、高粱茎をいかに資源として活用するかが課題となっている。

バイオ炭は、限られた条件下または O2 なしの条件下で、作物わら、木材、家畜糞尿などの有機材料の熱分解 (通常、炭化温度 < 700 °C) および炭化によって生成される、芳香族性の高い不溶性固体物質の一種を指します 15,16。 バイオ炭はよく発達した多孔質構造と比較的大きな比表面積 (SSA) により、優れた吸着能力を備えています17。 したがって、環境修復におけるバイオ炭の応用は大きな注目を集めています16。 バイオ炭は、重金属 18、19、20、21、クロロフルオロ 22、有機汚染物質 23、24、リン酸塩 25、26、27、28、アンモニウムなどの汚染物質の吸着剤として使用されることが増えています。 、32。 崔ら。 (2016) は、500 °C で 6 つの湿地バイオマスから調製したバイオ炭のアンモニウムに対する吸着効果を研究し、カンナ バイオ炭が最大の吸着容量 (5.60 mg/g) を持っていることを発見しました 29。 黄ら。 (2020) は、粘土/バイオ炭複合材料を使用して水中のアンモニウムを吸着し、その吸着プロセスが擬二次反応速度論モデルおよびフロイントリヒ等温吸着モデルとより一致していることを発見しました33。 Xue らは、 (2019) は、食品廃棄物ベースのバイオ炭を使用して水中のアンモニウムを吸着させたところ、ラングミュア方程式が吸着挙動によりよく適合し、トウモロコシ茎バイオ炭のアンモニアへの吸着は自発的な発熱プロセスであることがわかりました。 最大吸着容量は 7.174 mg/g30 でした。 王ら。 (2020c) は、FeCl3 と HCl を使用して小麦わらバイオ炭を改質し、アンモニウム吸着能力が 14% 向上することを発見しました 34。 さまざまな原料からのバイオ炭を使用した廃水中のアンモニアの処理に関する研究は数多くありますが、水中のアンモニウムを除去するために SS 由来のバイオ炭を使用する研究はほとんど報告されていません。 SSが調製したバイオ炭を使用すると、汚染物質を効果的に吸着するだけでなく、わらくずの資源活用も実現します。 したがって、ソルガムわらバイオ炭 (SSB) の研究が必要とされています。