磁性生物質炭的制備方法研究進展

李鈺婷，金 磊，黃圣淇，汪月晗，王震華，胡志新

(南京工程學院環(huán)境工程學院，江蘇 南京 211167)

1 磁性生物質炭

生物質炭一般指農林廢棄物、水生植物、城市固廢、動物糞便等生物質在缺氧或無氧條件下經高溫(<700℃)熱解獲得的固體物質[1]。生物質炭孔隙結構致密、比表面積大、耐酸堿、表面官能團豐富并且吸附能力強、化學性質穩(wěn)定；同時具備生產工藝簡單、價格低廉、易于再生的優(yōu)點[2]，使得生物質炭在污染控制和生態(tài)修復等領域得到廣泛應用。但是生物質炭直徑較小，處理廢水后難以從水中分離出來，這使得生物質炭在實際應用時受到限制。目前，對處理廢水后的生物質炭多采用過濾或離心的方法進行分離，但耗時較長，操作相對復雜[3]；而利用特定方法給生物質炭賦磁，在處理完受污染水體后，利用外加磁場將炭從水體中分離，比離心和過濾等方法更加快速有效[4-5]。

2 磁性生物質炭的制備方法

2.1 浸漬熱解法

將生物質炭與含F(xiàn)e2+/Fe3+的改性劑混合攪拌均勻，過濾干燥后，放入無氧環(huán)境中高溫裂解，磁性顆粒Fe3O4在熱解過程中通過氧化還原反應生成并負載至生物質炭表面，再次洗滌干燥后得到磁性生物質炭。浸漬熱解法一般分為傳統(tǒng)熱解法和微波熱解法。其優(yōu)點是賦磁與熱解一步完成，步驟少，工藝簡單，同時磁性顆粒與生物質炭基體的結合較為穩(wěn)定[6]。

2.1.1 傳統(tǒng)熱解法

蔣旭濤等[7]用小麥秸稈為原料制備生物質炭，然后將制備好的生物質炭浸泡于1 mol·L-1的FeCl3溶液中(鐵碳質量比為0.56∶1)，混合均勻后烘干，置于馬弗爐中400 ℃煅燒2 h，最后再洗凈烘干得到磁性生物質炭。實驗研究結果表明，鐵改性后的磁性生物質炭極性增大，對表面官能團結構影響明顯，有利于對磷的吸附[7]。

2.1.2 微波熱解法

微波是電磁波，微波加熱與傳統(tǒng)的加熱方法不同，是物料中的極性分子與電磁場互相作用的結果。汪南方等[8]在生物質炭浸漬于改性劑中時，用微波輻照，使生物質炭表面的官能團與改性劑、低濃度的氧氣發(fā)生化學反應，使生物質炭孔結構得到調整，孔表面的官能團結構也發(fā)生變化。但該方法改性不確定因素很多，改性劑的濃度，輻照的功率和時間等對磁性生物質炭性能影響較大。

2.2 液相沉淀法

在氮氣保護下將生物質炭與Fe3+/Fe2+溶液混合均勻，然后在堿性條件(pH值=10～11)下靜置反應，最后抽濾洗滌烘干得到負載了Fe3O4的生物質炭。萬霞等[9]對盛有超純水的四口燒瓶通氮氣1 h，然后加入FeSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、生物質炭和氨水，攪拌反應30 min后密封靜置1 h，然后烘干得到磁性生物質炭。賦磁后的生物質炭比表面積明顯增大，吸附效果增強。席志楠等[10]在研究磁性生物質炭對水體中有機物芘的去除效果時，也采用液相沉淀法制備磁性生物質炭，并取得較好的吸附效果。液相沉淀法制備磁性生物質炭快速高效，但是需要有惰性氣體的保護，工序復雜，成本較高，且Fe3+和Fe2+的比例不同，對磁性生物質炭的磁性強度也會有影響。

2.3 液相還原法

零價鐵具有良好的電化學、配位化學和氧化還原特性，可以快速還原水體中有機物、重金屬等。Wang和Zhang[11]采用液相化學還原法合成出納米零價鐵，并將其用于有機氯降解，開創(chuàng)了納米零價鐵在環(huán)境污染治理領域應用的先例。韋學玉等[12]利用黃豆殼為原料，制備生物質炭，然后在生物質炭表面負載零價鐵制備磁性生物質炭，吸附動力學分析表明其對三氯

酚去除效果比未負載零價鐵的生物質炭更好。這種方法原理簡單，但是操作復雜，推廣難度較大。

2.4 水熱合成法

水熱法是指在密閉反應器里，以水作為溶劑，物料經溶解和再結晶的制備方法。用水熱法制備納米Fe3O4，然后再與生物質炭粉末合成，得到磁性生物質炭。這種制備磁性生物質炭的方法需要的環(huán)境溫度較低，一般在100～250℃，耗能較小，反應設備簡單，密閉反應，壓強較高，避免組分的揮發(fā)，提高了產物的純度[13]。馬天文等[14]用水熱法制成生物質炭層包覆納米Fe3O4微球的磁性生物質炭，并用于吸附PFOS。

2.5 機械化學合成法

機械化學合成法是一種制備納米材料的新型工藝，在高能磨球的作用下，不同物料作用形成超細粉體。將鐵氧化物與生物質炭粉末按一定比例混合放入高能磨球機，經過一段時間可以得到磁性生物質炭。這種方法操作簡單，容易控制；但是對設備要求較高，能耗大。

3 存在的問題與研究展望

磁性生物質炭具有造價低廉，對水體中污染物吸附性能較好，吸附的污染物種類多，易于從水中分離等優(yōu)點，在水體污染治理中有著良好的應用前景。目前磁性生物質炭制備方法較多，但在磁性生物質炭吸附應用方面還有許多問題有待解決。

(1)不同方法制備磁性生物質炭的賦磁率不同，同種方法改變不同的變量也會影響賦磁率，這制約了磁性生物質炭的批量生產，限制了它在水體修復中的大規(guī)模應用。

(2)水體中污染物種類繁多，磁性生物質炭對水體中不同污染物的吸附性能需要通過實驗進行研究。

(3)磁性生物質炭的回收和再生可以降低水處理的經濟成本，但目前這方面的研究相對較少，需要進一步深入研究，提高經濟效益。