生物炭吸附水中六價鉻離子的研究進展

肖雪菁

摘 要：生物炭因其良好的表面特性和孔隙結構，廣泛的原料來源和廣闊的產業化發展前景，已成為當今環境、農業和能源等領域的研究熱點。本研究通過大量的文獻調研，系統地綜述了生物炭的制備原料及方法，闡述了各技術的優缺點并綜合分析了國內外生物炭吸附六價鉻機理的研究成果，以期望為開展生物炭吸附六價鉻離子的研究提供思路與指導。

關鍵詞：生物炭;六價鉻;原料及方法;機理進展

1 引言

近10多年來，隨著中國工業化進程的不斷加快，排放重金屬的行業逐漸增多，重金屬污染問題也變得日益嚴重，不容忽視。作為水環境中危害較大的重金屬污染物之一，Cr（VI）污染具有持久性特點，可以通過食物鏈進入人體或其他生物體內，短期或長期接觸有致癌危險。因此，如何有效地治理含Cr（VI）廢水污染是當今環境保護領域中的一個突出問題。含鉻廢水的治理方法很多，國內外目前普遍采用的處理方法主要包括膜分離法、電滲析法、化學還原法等[1]。但這些處理方法都存在一定的局限性，如成本高，能耗高，易于產生二次污染等。而吸附法因為原料來源廣泛、適合低離子濃度廢水、吸附量大、成本低、選擇性好、能回收重金屬等優勢而受到廣泛的關注。

吸附劑是決定吸附效果和成本的關鍵因素。因此，研制價格低廉、效率高的吸附劑是當前水體Cr（VI）污染物吸附處理問題的研究熱點。近年來，生物炭因具有發達的孔結構和豐富的極性官能團，例如羧基，酚羥基和氨基等，而作為潛在的新型重金屬生物吸附材料[2]。與常用的活性炭吸附劑相比，生物炭無需活化處理，成本低。原材料主要來自農業副產品，廢料和高碳含量的殘留物，有利于消除廢物焚化和腐爛對環境造成的破壞，實現資源的循環利用。因此，生物炭作為一種新型的環境功能材料，以其優良的生態效應和環境效應成為環境科學等領域的研究熱點。

2 生物炭

2.1 生物炭的制備原料

生物炭原料來源廣泛。目前已有學者采用農業廢棄物和工業有機廢棄物[3]等制備生物炭，均表現出良好的吸附性能。不同材料制備的生物炭的差異主要體現在生物炭的元素組成、比表面積、孔容孔徑、灰分含量、羧酸酯化、芳香化等方面。但以生物入侵種為原料制備生物炭的方法還鮮有報道。生物入侵植物因具有極強的生存繁殖能力得以在其適宜的自然環境大肆生長。它們大多桿莖中含有大量的纖維素、半纖維素、木素、有機質等成分，是制造生物炭的良好材料。且作為生物炭原材料時可以降低其對環境副作用，實現其資源化利用。故將生物入侵植物作為生物炭的制備原料有望成為解決生物入侵種的新途徑。

2.2 生物炭的制備工藝

通常，生物炭的制備方法可分為：慢速熱解、快速熱解、氣化熱解、水熱炭化以及閃蒸炭化法[4]。熱解法是指原料在厭氧或缺氧條件下發生熱分解轉化的過程，該過程溫度高達700 ℃、存在煙氣污染問題且不利于表面含氧官能團的保留;而氣化法是在高溫高壓條件下生物質被部分氧化燃燒發生氣化的過程，該方法容易形成氣溶膠堵塞反應器并且產生的煙灰污染環境;閃蒸炭化法在高壓條件下進行，存在設備破裂、爆炸等安全隱患。而水熱炭化法作為一種熱化學轉化技術，反應條件相對比較溫和，該法將生物質懸浮在相對較低溫度密閉容器中反應，從而制備得到炭--水--漿混合物。水熱炭化法獲得的生物炭具有較高的碳回收率，同時灰分與pH較低，比熱解法制得的生物炭具有更多的活性位點及內酯、羧基和酚類成分，結構中的未成鍵電子利于與金屬離子的空軌道配位，可以更好地捕獲重金屬污染物[5]。由此可知，生物炭是一種經濟環保的重金屬吸附材料，可在Cr（VI）處理過程中發揮重要作用。生物炭的制備原料、制備工藝及其條件的選擇都對生物炭特性具有顯著影響，是決定生物炭吸附性能的關鍵。采用生物入侵種作為原材料不僅在生物炭性能上有所優勢，也為解決生物入侵問題提供新的思路。水熱炭化法以條件溫和、相對較安全、無二次污染以及有利于保留表面含氧官能團的優勢，成為制備生物炭的理想方法。

3 生物炭吸附六價鉻機理研究方法及進展

由于生物質原料的特性差異很大，碳化過程和轉化過程復雜，生物炭特性多變，可控性較弱。同時，生物炭的特性，不同的吸附條件和目標重金屬種類均顯著影響其吸附行為和效果。可以看出，有許多因素影響生物炭對水中重金屬的吸附，并且存在復雜的吸附機理。不同類型和來源的生物質的組織形式是多種多樣的，使得生物炭的微觀形貌和結構特征具有復雜性，利用表征技術和分析方法對生物炭表面理化性質進一步開展研究，具有十分重要的意義。目前研究常采用的方法包括：掃描電子顯微鏡、氮氣吸附脫附、X射線衍射分析、透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜、傅里葉轉換紅外光譜、核磁共振技術等，可以分析生物炭表面形貌、比表面積及孔結構特性、晶型結構、化學結構和價態、表面官能團等，這為深入研究和揭示生物炭吸附重金屬機理提供有力技術支撐。

目前，有研究者針對生物炭吸附Cr（VI）的微觀機理進行了部分研究。Xu[6]通過X波段掃描、傅里葉紅外光譜、X射線衍射等技術發現生物炭表面的含氧官能團在吸附還原Cr（VI）的過程中充當給電子體的角色。Pan等[7]利用紅外光譜分析生物炭吸附Cr（VI）前后的生物炭表面官能團，發現吸附前后出現了不同程度的官能團位點的遷移，說明這些含氧官能團均參與了生物炭對Cr（VI）的吸附過程。張明明[8]對生物炭吸附Cr（VI）前后做了X射線光電子能譜分析，發現吸附六價鉻離子后生物炭表面的含碳官能團產生了較大的變化，這一現象說明含碳官能團是復合材料吸附六價鉻離子的主要機理。雖然，目前對生物炭重金屬機理研究取得了一定的成果，但是仍處在探索階段，沒有形成系統理論，仍有待于進一步深入研究。

參考文獻：

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[3]蒲生彥，賀玲玲，劉世賓.生物炭復合材料在廢水處理中的應用研究進展[J].工業水處理，2019，39（09）：1-7.

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[6]Xu X Y， Huang H， Zhang Y et al. Biochar as both electron donor and electron shuttle for the reduction transformation of Cr（VI） during its sorption [J]. Environmental Pollution，2019（244）：423-430.

[7]Pan J， Jiang J， Xu R. Adsorption of Cr （VI） from acidic solutions by crop straw derived biochars[J].Journal of Environmental Sciences，2013，25（10）：1957-1965.

[8]張明明.生物炭改性材料的制備及其對水體中六價鉻的吸附機理研究[D].長沙：湖南大學，2016.