生物炭去除有機污染物的初步探討

李 廣

(山東科技大學 化學與環境工程學院，山東 青島 266590)

1 生物炭的概述

生物炭是以一種生物質(農林廢棄物、牲畜糞便、市政廢物)為原料，通過限氧裂解制得的碳質材料[1-3]。生物炭因其原料來源廣泛、制備工藝相對簡單、吸附能力強等優點，已被視為一種新型的環保吸附材料，近年來受到越來越多的關注[4-5]。

2 生物炭在環境污染控制方面的應用

在環境污染治理方面，生物炭已經被廣泛應用于水污染控制、土壤改良及修復、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，研究表明，所含的-COO(-COOH)和-O(-OH)等官能團對生物炭樣品的堿度有很大的貢獻。Li等[8]研究了生物炭對不同金屬離子的吸附機理，結果表明，絡合和靜電引力是其吸附As的主要作用機制，絡合和還原是其吸附Cr和Hg的主要機制，而吸附Cd和Pb的主要機制是陽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，結果表明，表面吸附起主導作用，吸附系數 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，表面吸附是主要的作用機制。Shi等[11]利用玉米秸稈生物炭改良酸性土壤(pH值<5.5)，結果表明施入生物炭后，土壤CEC和pH值均增大，對土壤的改善效果優于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，結果表明在25℃、煙氣流量為400mL/min條件下，S吸附容量可達288.6mg/g。在機理研究方面，生物炭對水中污染物的去除機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，但吸附過程往往是多種吸附機制共同作用的結果[13-17]。生物炭與土壤中金屬的作用機制主要是化學還原、離子交換和表面絡合作用，反應點位主要為芳香醇、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去除難降解有機物

5 生物炭中的元素對其活化能力的影響

通過分析可以看出，生物炭在降解抗生素領域具有極大的應用潛力。但以往的研究所用的生物炭多數來自陸地生物質(如各類秸稈、竹子、工業廢棄物等)。最近的研究發現N元素以及部分金屬元素(如Fe、Cu、Co、Ni等)能夠促進生物炭活化能力的提升，因此開展了N或者金屬元素摻雜生物炭的制備和應用研究并取得了顯著效果[41-45]。但摻雜過程較為復雜，因此導致生物炭的大規模制備和應用受到了影響。與陸地生物質不同，研究發現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直接制備生態炭，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。相關研究已經有了少量報導，例如史宸菲等[21]采用藍藻制備生物炭，利用其活化PS實現了對染料橙黃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)，研究發現，在高熱解溫度下滸苔生物質形成了石墨結構，從而獲得了優異的催化性能；通過活化PMS實現了對撲熱息痛(PCM)的高效去除，并且三個循環后仍然可以實現PCM的完全降解，研究結果證明了石墨結構在生物炭催化活化方面的關鍵作用。

綜上所述，生物炭在降解去除環境中有機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境中的有機污染物。因此，作為一種環境友好型材料，生物炭的發展前景可想而知。