生物炭去除有機(jī)污染物的初步探討

李 廣

(山東科技大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

1 生物炭的概述

生物炭是以一種生物質(zhì)(農(nóng)林廢棄物、牲畜糞便、市政廢物)為原料，通過(guò)限氧裂解制得的碳質(zhì)材料[1-3]。生物炭因其原料來(lái)源廣泛、制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被視為一種新型的環(huán)保吸附材料，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注[4-5]。

2 生物炭在環(huán)境污染控制方面的應(yīng)用

在環(huán)境污染治理方面，生物炭已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水污染控制、土壤改良及修復(fù)、大氣污染治理等方面[6]。

Yuan等[7]采用限氧熱解法研究了生物炭的堿性形態(tài)，研究表明，所含的-COO(-COOH)和-O(-OH)等官能團(tuán)對(duì)生物炭樣品的堿度有很大的貢獻(xiàn)。Li等[8]研究了生物炭對(duì)不同金屬離子的吸附機(jī)理，結(jié)果表明，絡(luò)合和靜電引力是其吸附As的主要作用機(jī)制，絡(luò)合和還原是其吸附Cr和Hg的主要機(jī)制，而吸附Cd和Pb的主要機(jī)制是陽(yáng)離子交換和沉淀作用。Sarahe等[9]利用玉米秸稈生物炭去除水中的芘，結(jié)果表明，表面吸附起主導(dǎo)作用，吸附系數(shù) KFr為5.22～6.21。Tahasm等[10]研究表明，磷酸鹽處理的玉米秸稈生物炭能夠高效去除水中的二嗪農(nóng)，表面吸附是主要的作用機(jī)制。Shi等[11]利用玉米秸稈生物炭改良酸性土壤(pH值<5.5)，結(jié)果表明施入生物炭后，土壤CEC和pH值均增大，對(duì)土壤的改善效果優(yōu)于Ca(OH)2。黃戀涵等[12]利用四乙烯五胺改良生物炭然后用于煙氣中的SO2吸附，結(jié)果表明在25℃、煙氣流量為400mL/min條件下，S吸附容量可達(dá)288.6mg/g。在機(jī)理研究方面，生物炭對(duì)水中污染物的去除機(jī)理一般可以分為靜電作用、疏水作用、氫鍵、孔隙截留、孔隙填充、π-π相互作用、離子交換作用以及分配作用等，但吸附過(guò)程往往是多種吸附機(jī)制共同作用的結(jié)果[13-17]。生物炭與土壤中金屬的作用機(jī)制主要是化學(xué)還原、離子交換和表面絡(luò)合作用，反應(yīng)點(diǎn)位主要為芳香醇、芳香酸和碳酸鹽[17-20]。

3 生物炭的活化性能概述

4 生物炭活化PS去除難降解有機(jī)物

5 生物炭中的元素對(duì)其活化能力的影響

通過(guò)分析可以看出，生物炭在降解抗生素領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。但以往的研究所用的生物炭多數(shù)來(lái)自陸地生物質(zhì)(如各類(lèi)秸稈、竹子、工業(yè)廢棄物等)。最近的研究發(fā)現(xiàn)N元素以及部分金屬元素(如Fe、Cu、Co、Ni等)能夠促進(jìn)生物炭活化能力的提升，因此開(kāi)展了N或者金屬元素?fù)诫s生物炭的制備和應(yīng)用研究并取得了顯著效果[41-45]。但摻雜過(guò)程較為復(fù)雜，因此導(dǎo)致生物炭的大規(guī)模制備和應(yīng)用受到了影響。與陸地生物質(zhì)不同，研究發(fā)現(xiàn)很多海藻中含有豐富的N和金屬元素，因此研究人員嘗試用藻類(lèi)直接制備生態(tài)炭，以期在不依賴于外部摻雜條件下，制備出具有高效催化活化能力的生物炭材料。相關(guān)研究已經(jīng)有了少量報(bào)導(dǎo)，例如史宸菲等[21]采用藍(lán)藻制備生物炭，利用其活化PS實(shí)現(xiàn)了對(duì)染料橙黃G的高效去除。Chen等[46]利用滸苔原位熱解制備生物炭(Fe-N@C)，研究發(fā)現(xiàn)，在高熱解溫度下滸苔生物質(zhì)形成了石墨結(jié)構(gòu)，從而獲得了優(yōu)異的催化性能；通過(guò)活化PMS實(shí)現(xiàn)了對(duì)撲熱息痛(PCM)的高效去除，并且三個(gè)循環(huán)后仍然可以實(shí)現(xiàn)PCM的完全降解，研究結(jié)果證明了石墨結(jié)構(gòu)在生物炭催化活化方面的關(guān)鍵作用。

綜上所述，生物炭在降解去除環(huán)境中有機(jī)污染物方面有著巨大的潛力，不僅有著良好的吸附能力，還能有效的活化PS從而更有效的去除環(huán)境中的有機(jī)污染物。因此，作為一種環(huán)境友好型材料，生物炭的發(fā)展前景可想而知。