生物炭復合材料對水中污染物吸附的應用進展

王小梅

[摘要]生物炭具有多孔結構、巨大的比表面積和豐富的含氧官能團，如羧基、酚羥基、酸酐等。生物炭具有發達的孔隙結構、巨大的比表面積，這些特點使生物炭具有較好的吸附性能并成為優質的吸附材料，將生物炭應用于實際環境中，旨在強烈吸附污染物消減環境污染。已有大量的研究表明，一些農業廢棄物如袖子皮、蘆葦、小麥秸稈、等制備成生物炭用于環境污染物的吸附研究。所以，生物炭是一種環保、經濟、易得的新型吸附材料。

[關鍵詞]生物炭復合材料 吸附行為 應用

1環境中的生物炭

生物炭，是由農業廢棄物和生活垃圾等在缺氧或無氧條件下經過高溫熱解制備得到的一類具有芳香化的固態混合物。近年來，農業廢棄物的回收和重復利用，已經越來越受到人們的廣泛關注。農業廢棄物如果不能得到妥善的處理，必然會污染環境，實現農業廢棄物的資源化利用具有十分重要的意義。以農業廢棄物制備得到的生物炭，自身相對安全，有毒物質及重金屬含量較少。所以將這種生物炭用于實際環境中，可避免生物炭自身對環境帶來的二次污染。生物炭具有多孔結構、巨大的比表面積和豐富的含氧官能團，如羧基、酚羥基、酸酐等。生物炭具有發達的孔隙結構，巨大的比表面積，這些特點使生物炭具有較好的吸附性能并成為優質的吸附材料，將生物炭應用于實際環境中，旨在強烈吸附污染物消減環境污染。已有大量的研究表明，一些農業廢棄物如柚子皮、蘆葦、小麥秸稈、等制備成生物炭用于環境污染物的吸附研究。所以，生物炭是一種環保、經濟、易得的新型吸附材料。

2生物炭復合材料的吸附行為

2.1生物炭復合材料的制備

復合材料是利用一定的方法將兩種或兩種以上不同性質的材料組合成一種具有新特性和新結構的一種材料。復合材料中的各種材料相互吸取優點達到協同效應。近年來，生物炭具有優良的吸附特性在環境中廣泛地應用，受到越來越多國內外學者的高度重視，然而一方面，生物炭部分表面官能團會隨著制備溫度的升高而損失，另一方面吸附污染物后很難從環境中分離，而且也不能重復利用等缺點。所以為了生物炭在今后的使用過程中能夠發揮最大的吸附能力，已有國內外學者做了大量的研究，表明通過一些物理或化學的方法將生物炭與其他材料復合，可以彌補單獨使用生物炭時的不足，同時也可以吸收其他材料的優點進而加強生物炭的吸附能力。如今常見的生物炭復合材料主要有生物炭-無機物復合材料、生物炭-納米復合材料、生物炭-磁性復合材料、利用酸、堿等改性生物炭材料。將一些吸附性能較好的無機材料與生物炭復合，使得生物炭表面官能團、電荷數量等發生變化，增強了與污染物的作用能力。

納米材料和生物炭相結合制備復合材料，可以顯著提高生物炭表面的化學含氧官能團，增加吸附位點，進而提高對污染物的結合能力。Zhang等將棉花秸稈生物炭與AICl3-6H2O溶液混合2h后在80℃下烘干，600℃無氧下裂解th，得到生物炭一納米氧化鋁復合材料。生物炭-納米氧化鋁復合材料對亞甲基藍的最大吸附量是生物炭的10倍，主要是由于生物炭一納米氧化鋁復合材料中增加了炭納米獨特的結構，增加了活性吸附位點，提高吸附能力。

其他生物炭復合材料：一般而言，對生物炭進行改性處理，都會提高生物炭對污染物的吸附能力。通過改性，可以增加生物炭的表面吸附位點，特別是增加了表面官能團的數量和種類。

2.2生物炭復合材料對水中污染物吸附

綜上所述，生物炭復合材料對環境污染物有較好的去除能力。近年來，生物炭復合材料一直是環境領域研究的熱點，特別是越來越多的學者，將生物炭復合材料用于對水中污染物的吸附，包括無機污染物和有機污染物。

Ling等研究了玉米秸稈生物炭一錳氧化物復合材料對水中Cu2+的吸附效果，發現生物炭一錳氧化物復合材料對Cu2+的最大吸附量為160 mg/g是未改性生物炭的8倍。這是由于錳氧化物改性后，一方面生物炭表面的含氧官能團顯著增加，而且生物炭與錳氧化物形成了配合物，另一方面是陽離子交換和陽離子-π鍵作用，共同提高了生物炭-錳氧化物復合材料對Cu2+的吸附能力。Tang等研究了小麥秸稈生物炭-石墨烯復合材料對水中Hg2+的吸附效果，發現生物炭-石墨烯復合材料對水中Hg2+的最大吸附量為16.3 mg/g，明顯高于生物炭對Hgz+的吸附量（10.9 mg/g）。主要是因為生物炭-石墨烯復合材料具有更大的比表面積和孔徑，更多的表面官能團，進而增強了對Hg2+的絡合能力。Devi等研究了生物炭-鎳零價鐵磁性復合材料對水中五氯酚（PCP）的吸附效果，發現生物炭-零價鐵磁性復合材料對PCP五氯酚的去除率為97.5%，高于生物炭對PCP五氯酚的去除率（65%）。主要是因生物炭-鎳零價鐵磁性復合材料具有更大的比表面積和孔徑，可以提供更多的吸附位點，均有利于復合材料對PCP五氯酚的吸附。Yang等研究了生物炭-納米復合材料對水中亞甲基藍的吸附效果，發現生物炭-納米復合材料對水中亞甲基藍的最大吸附量為5.5 mg/g高于生物炭對亞甲基藍的吸附量（2.2 mg/g）。復合材料具有更大的比表面積和更多的孔隙度，吸附的主要作用力是靜電吸引作用和π-π鍵作用力。Zhou等研究了生物炭-殼聚糖復合材料對水中Pb2+的吸附效果，發現生物炭-殼聚糖復合材料對水中Pb2+的最大吸附量（14.3 mg/g）高于生物炭對Pb2+的吸附量。主要是生物炭-殼聚糖復合材料表面增多了氨基等活性官能團，正是氨基等活性官能團通過螯合作用對Pb2+進行反應，提高了吸附能力。