廢物衍生吸附劑的制備、應用和再生

段萬發(fā)

(馬鞍山首創(chuàng)水務公司，安徽馬鞍山，243000)

近年來，工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展導致其將大量有機污染物排放進入環(huán)境[1,2]。有機污染物具有毒性、不可生物降解性和潛在的致癌性，不僅會對環(huán)境造成危害，而且會對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成影響[3]。因此目前迫切需要一套經(jīng)濟有效、操作簡便的技術(shù)體系來降低環(huán)境中有機污染物的濃度[4]。

生物炭是一種富含碳的固體，它一般具有類似于活性炭的多孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積、豐富的表面官能團等特征，這些特征使其在土壤污染治理上應用廣泛，因其能夠改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤微生物數(shù)量，保水保肥以及吸附鈍化土壤中重金屬和農(nóng)藥殘留，而且還可以作為有效的吸附劑去除水溶液中的污染物[5,6]。與活性炭相比，生物炭是一種擁有更低成本、較高效率且可再生的新型吸附劑[7]。因此，生物炭逐漸成為近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點。

已有研究主要關(guān)注生物炭的性質(zhì)和應用，但是對生物炭再生的研究較少[12]。本文查閱了近年來有關(guān)生物炭吸附有機污染物的大量研究文獻，介紹了生物炭的基本理化性質(zhì)、來源、類型和生產(chǎn)方式；整理了多種有機污染物與生物炭相互作用的機理；總結(jié)了有關(guān)生物炭吸附、再生及其工程化應用的相關(guān)研究，以期為構(gòu)建經(jīng)濟高效的生物炭吸附、再生及其工程化技術(shù)體系提供理論依據(jù)。

1 生物炭制備

生物炭一般由生物質(zhì)廢棄物制成，生物炭的原料大多來自農(nóng)業(yè)生物質(zhì)原料，主要包括農(nóng)作物殘渣、木材生物質(zhì)、動物糞便和固體廢棄物[13,14]。生物炭的類型在很大程度上取決于原材料的類型、裂解溫度，Jindo等人[15]研究發(fā)現(xiàn)不同的原料和不同的熱解溫度對生物炭的總碳和灰分有不同的影響。按照原料性質(zhì)的不同，生物炭可以大致分為：秸稈生物炭、貝殼生物炭、木材生物炭、污泥生物炭、動物糞便生物炭、竹生物炭和其他類型的生物炭[16]。

新型生物質(zhì)半氣化產(chǎn)炭爐是一種典型的生物炭生產(chǎn)爐，其主要工藝流程是生物質(zhì)燃料被放置在兩個氣瓶之間，并在中心點火，來自中央大火的熱量使燃料的以同心環(huán)方式熱解，氣體逸出到中心，隨著生物質(zhì)環(huán)變成炭，炭再進入火焰中。中央燃燒室可配置為火箭爐設計(帶有側(cè)開門)，主要燃燒空氣從底部進入。

圖1 廢物衍生吸附劑的基礎(chǔ)制備流程

2 生物炭對有機污染物的去除

有機污染物是環(huán)境污染物的重要組成部分，嚴重威脅人類健康和生態(tài)環(huán)境安全[17]。環(huán)境有機污染是多種來源共同作用的結(jié)果。主要的污染源包括農(nóng)藥、農(nóng)膜以及工業(yè)廢水如染料行業(yè)廢水的排放[18]。目前科學家使用了一些方法來去除環(huán)境中的有機污染物，例如：生物降解、吸附、汽提、水解和光解等。但尚未找到能高效、低成本的工程化應用解決方案。

2.1 抗生素類有機污染物去除

隨著抗生素在人類和動物中的廣泛應用，一些含有抗生素的制藥廢水逐漸影響了人們的生活環(huán)境，并通過復雜的轉(zhuǎn)化和生物積累途徑惡性循環(huán)存在于環(huán)境中。因此，抗生素最近被公認為是新興的環(huán)境污染物。

生物炭吸附是從環(huán)境中去除抗生素非常有效的方法，但是大多數(shù)關(guān)于生物炭吸附抗生素的研究僅限于水溶液，在更復雜的土壤環(huán)境中的研究很少[9]。另外，大多數(shù)研究都是在靜態(tài)測試中研究單一抗生素，但是由于抗生素的實際情況是復合的，因此缺乏環(huán)境的真實性。未來，科學家趨向于使用動態(tài)吸附實驗來模擬真實環(huán)境，以應對復雜的抗生素污染環(huán)境[16]。

2.2 農(nóng)藥類有機污染物去除

過量使用農(nóng)藥會對空氣、土壤和水造成一定程度的污染，對非目標生物產(chǎn)生毒害作用，破壞生態(tài)平衡并危害人類健康[8]。科學家們已經(jīng)對在水和土壤中的生物炭對農(nóng)藥的吸附進行了一些研究。Sun等[13]用甘蔗渣生物炭吸附有機磷農(nóng)藥，研究了各種因素對吸附的影響。研究表明，甘蔗渣生物炭的增加有助于增加樂果的吸附量和去除量。樂果的初始濃度和系統(tǒng)溫度的升高對吸附效率產(chǎn)生負面影響。

影響因素和吸附機理的研究對生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程應用上有重要意義。目前，由于土壤環(huán)境復雜、物性差異較大，在實際土壤中最佳吸附條件的研究非常重要。水溶液中生物炭吸附農(nóng)藥的相關(guān)研究不是很全面，可以參考的文獻有限，需要進一步研究。

3 生物炭再生研究進展

生物炭再生是吸附的逆過程。再生有兩個原理：被吸附物解吸和分解。競爭性吸附劑在工業(yè)應用中表現(xiàn)出良好的可重復使用和再循環(huán)能力，并且由于重復吸附-解吸循環(huán)，可以大大降低成本。通過采用不同的技術(shù)處理不同的生物炭可以實現(xiàn)生物炭的再生和成本的降低。

3.1 熱再生

熱再生是實現(xiàn)解吸的最有效方法之一。被吸附物在高溫下會碳化并分解，最終變成比生物炭孔徑小的分子并逸出。隨著熱解溫度的升高，再生效率提高。Qiao等[12]研究發(fā)現(xiàn)滸苔生物炭在80℃、150℃和200℃的溫度下再生，能達到35.00%、45.00%和48.00%的芘吸附，而對苯并芘再生后吸附率分別為31.00%、41.00%和40.00%。研究表明，可以通過熱處理去除溶解有機碳。

3.2 溶劑法再生

溶劑再生法的原理是利用生物炭、溶劑和被吸附物之間的平衡關(guān)系，通過改變?nèi)軇┑臏囟群蚿H值來打破吸附平衡，從而使吸附物從活性炭中解吸出來。該法特別適用于高濃度和低沸點有機物吸附劑。例如，用氫氧化鈉溶液洗滌已富集苯酚的生物炭，然后以酚酸鈉的形式回收解吸的苯酚。

3.3 各種再生方法的比較

以上幾種生物炭再生方法中，熱再生法被認為是最具成本效益的方法之一；用于溶劑法再生的無機試劑通常價格低廉、再生條件溫和，但處理時間長，再生效率一般低于80.00%；微波輻射再生法的再生處理時間短、加熱溫度更易于控制且無熱慣性，同時較好地保持了生物炭的多孔結(jié)構(gòu)，這對節(jié)能和降低二次污染風險也具有積極意義；超臨界再生適用于高揮發(fā)性物質(zhì)的吸附。與有機溶劑再生相比，以CO2和水為流體的超臨界再生不存在溶劑污染環(huán)境的問題。表1中列出了各再生方法應用范圍，比較了再生方法的優(yōu)缺點。

表1 生物炭再生方法的比較

4 展望與結(jié)論

作為具有廣泛來源和良好吸附性能的吸附劑，未來生物炭在去除有機污染物方面具有廣闊的前景。然而，生物炭缺乏系統(tǒng)的研究，包括其對有機物的吸附機理和應用理論，對再生過程中可能產(chǎn)生的二次污染的處理以及特定功能性生物炭的應用。

(1)生產(chǎn)適合不同需求的生物炭是生物炭大規(guī)模應用的基礎(chǔ)?？梢匝芯坑糜谔囟康牡纳锾浚詫崿F(xiàn)生物炭對不同有機污染物的吸附和有效解吸。

(2)目前，關(guān)于吸附污染物后生物炭的回收和再生的研究很少。吸附的有毒有害物質(zhì)能否隨著時間的推移有效地轉(zhuǎn)化或固化為無法釋放的“潛在污染源”仍然是一個需要研究的問題。

(3)生物炭研究起步較晚，研究人員對一些關(guān)鍵的理論和調(diào)控機制缺乏足夠的了解，例如不同條件下生物炭對污染物的吸附過程，“質(zhì)量效率”與“數(shù)量效率”之間的關(guān)系。

(4)生產(chǎn)成本仍然是限制生物炭應用的主要因素。研究人員應該進一步選擇低成本的原料生產(chǎn)生物炭，改進再利用方法以及生物炭的表面積和官能團以達到生物炭的最大利用效果。

(5)生物炭在工程中的應用研究主要集中在固定床和連續(xù)逆流分離裝置上。再生主要包括熱再生、溶劑再生、微波輻射再生和超臨界流體再生。

(6)環(huán)境友好、可循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展和效益最大化的生物炭制備及使用方法是生物炭吸附的研究熱點。