生物炭的改性及其在環(huán)境污染控制中的應(yīng)用進(jìn)展

摘" " " 要： 生物炭是一種綠色環(huán)保的新型吸附材料，有效應(yīng)用于環(huán)境污染控制領(lǐng)域。通過(guò)物理、化學(xué)及生物方法改性生物炭可以強(qiáng)化其功能，顯著提高其活性，有利于生物炭的高效利用，增強(qiáng)在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用潛力。對(duì)近年來(lái)有關(guān)改性生物炭的文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)并探討了生物炭的改性方法及改性生物炭在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，最后對(duì)生物炭的應(yīng)用研究提出了展望。

關(guān)" 鍵" 詞：生物炭；改性；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TQ424" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " 文章編號(hào)： 1004-0935（2023）02-0276-04

生物炭是生物質(zhì)原料通過(guò)燃燒裂解產(chǎn)生的碳分子固體，生物質(zhì)原料包括動(dòng)物排泄物、農(nóng)業(yè)秸稈以及生活垃圾產(chǎn)生的固體廢物等[1]。生物炭正以其良好的理化性能、內(nèi)部孔隙發(fā)達(dá)以及吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于水體污染控制、土壤修復(fù)、農(nóng)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域[2]。但生物炭因密度低、粒徑小、不易與水分離等缺點(diǎn)很大程度上限制了應(yīng)用，這使其對(duì)環(huán)境中污染物的去除與活性炭相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)[3]。因此研究生物炭的制備及改性問(wèn)題已成為近年的熱點(diǎn)，大量研究表明改性后的生物炭對(duì)污染物的修復(fù)效果優(yōu)于原始生物炭，其在氣候變化、農(nóng)業(yè)發(fā)展以及環(huán)境生態(tài)修復(fù)方面起到巨大作用。

1" 生物炭的改性方法

生物炭的改性和應(yīng)用已成為當(dāng)下熱點(diǎn)，大量研究表明生物炭及其改性材料可以對(duì)環(huán)境污染物進(jìn)行有效降解。生物炭通過(guò)吸附作用去除污染物，其改性方法也主要集中在提高吸附性能上，生物炭的改性主要包括物理、化學(xué)及生物方法，其原理及特點(diǎn)見(jiàn)表1。

1.1" 物理改性

生物炭的物理改性是改變其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，增加比表面積以此增強(qiáng)污染物吸附能力。曹鋼[4]使用行星式球磨機(jī)制備出球磨生物炭，通過(guò)優(yōu)化其制備參數(shù)使改性效率提高，實(shí)驗(yàn)證明，球磨后生物炭平均粒徑為267 nm，比表面積由84.39 m2·g-1增加到179.31 m2·g-1，改性后生物炭表面官能團(tuán)數(shù)量有所增加。李橋[5]等以紫外光輻射制備廢椰子殼生物炭，對(duì)比分析改性炭對(duì)土壤中Cd含量的影響。結(jié)果表明，改性后生物炭表面含氧官能團(tuán)大量增加，輻照時(shí)間為16 h的改性炭吸附效果最好，吸附量可達(dá)67.46 mg·kg-1，可見(jiàn)紫外改性生物炭對(duì)土壤中鎘的鈍化具有明顯效果。RAJAPAKSHA[6]等通過(guò)蒸汽改性發(fā)現(xiàn)改性炭具有更大的比表面積，對(duì)水中抗生素有很好的去除效果。

1.2" 化學(xué)改性

化學(xué)改性是通過(guò)添加化學(xué)物質(zhì)使改性后生物炭的吸附能力增強(qiáng)。王博[7]等使用濃鹽酸對(duì)蘆葦和香蒲進(jìn)行改性合成生物炭，研究表明改性后的生物炭比表面積擴(kuò)大，表面正電荷提高，為帶負(fù)電荷的硝酸根提供更多吸附位點(diǎn)，增加了改性水生植物生物炭對(duì)硝酸鹽的吸附量。大量實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)酸堿結(jié)合改性方法也可提高生物炭的吸附性能，高超群[8]等用HNO3+NaOH改性獼猴桃樹枝生物炭對(duì)Pb（II）進(jìn)行吸附，結(jié)果表明改性后的吸附量比改性前多28.36 mg·g-1。ZUO[9]等以鮮麥冬為原料進(jìn)行H2O2改性，對(duì)Cu（II）進(jìn)行吸附，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)氧化劑改性的生物炭對(duì)Cu（II）的吸附量由35.8 mg·g-1增加到 53.8 mg·g-1。由此可見(jiàn)，化學(xué)改性可以較大程度提高生物炭的吸附能力。

1.3" 生物改性

生物改性是將特定微生物與生物炭結(jié)合進(jìn)而改善其表面吸附特性。LUO[10]等首次提出通過(guò)培養(yǎng)富鐵金孢菌將鐵離子嵌入到微生物細(xì)胞中，從而得到富含鐵的生物質(zhì)原材料，經(jīng)過(guò)700 ℃氬氣環(huán)境下裂解得到磁性生物炭材料。研究表明，該改性生物炭具備較大的比表面積和較高的雙氯芬酸去除能力，此方法改性后具磁性而易于固液分離。陳顥明[11]等利用磷溶菌（PSB）對(duì)稻殼和污泥生物炭進(jìn)行不同時(shí)間的改性，研究了其對(duì)水體中Pb2+和Cd2+的修復(fù)機(jī)制，研究表明，磷溶菌（PSB）顯著改善了生物炭的孔徑結(jié)構(gòu)、比表面積和表面官能團(tuán)顯著增加，促進(jìn)了生物炭中C和P元素的釋放，優(yōu)化了生物炭表面的生物礦化機(jī)制。生物法改性生物炭具有節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但目是否存在其他相關(guān)性問(wèn)題，需要更多的實(shí)際應(yīng)用去證實(shí)。

2" 改性生物炭的應(yīng)用

改性生物炭對(duì)重金屬和有機(jī)小分子等具有很好的修復(fù)效果，可作為土壤改良劑、污染物吸附劑及二氧化碳封存劑，廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)、重金屬吸附和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2.1" 重金屬吸附

近年來(lái)重金屬污染嚴(yán)重影響到人類的健康，吸附法可有效去除重金屬，研究發(fā)現(xiàn)生物炭作為新型吸附劑發(fā)展前景良好，且改性后的生物炭表面官能團(tuán)種類和數(shù)量明顯增加，在土壤及水體重金屬吸附方面應(yīng)用廣泛。

2.1.1" 土壤中重金屬

土壤中重金屬主要來(lái)自礦產(chǎn)業(yè)、工業(yè)廢物和廢水排放。土壤重金屬污染不僅影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，還會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。IRSHAD[12]等通過(guò)針鐵礦改性生物炭，研究了生物炭和改性生物炭對(duì)土" " 壤-水稻體系中鎘遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律。結(jié)果表明，改性生物炭體系pH值增加，且根際孔隙水中的鎘含量明顯降低，改性生物炭可以抑制重金屬的形成和積累，增強(qiáng)水稻的生存能力。王曦[13]利用松木屑作為前體制備生物炭，并用磷酸二氫銨、磷酸和過(guò)氧化氫分別對(duì)其改性，通過(guò)土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，探討改性炭對(duì)溶液中Cr（Ⅵ）的吸附效果。結(jié)果表明，3種改性方法均從各個(gè)方面提高了木屑炭本身特性，進(jìn)而增強(qiáng)了吸附穩(wěn)定性。XIA[14]等對(duì)松木鋸末進(jìn)行石灰改性，研究其改性前后對(duì)土壤重金屬的鈍化作用，結(jié)果表明改性炭的電負(fù)性、pH值和表面官能團(tuán)均有所增加，對(duì)Pb的固定效率提高了95.1%，對(duì)Cd的固定效率提高了64.4%，重金屬的浸出毒性也明顯降低，這說(shuō)明改性生物炭對(duì)重金屬Pb、Cd的固定有明顯" "效果。

2.1.2" 水體中重金屬

生物炭可有效去除工業(yè)廢水和生活污水中的重金屬。汪怡[15]等以玉米秸稈為原料，用KOH和聚乙烯亞胺改性生物炭，探究生物炭對(duì)Cu2+和Pb2+的吸附效果。結(jié)果表明，改性炭的吸附能力明顯優(yōu)于未改性生物炭，有成為新型重金屬吸附劑的潛力。李仕友[16]等將改性生物炭用于廢水重金屬的吸附，結(jié)果表明，改性后生物炭對(duì)水中重金屬的吸附強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，吸附量也增大，這使得改性生物炭可以用于重金屬濃度較低的廢水的處理過(guò)程中。

2.2" 有機(jī)物修復(fù)

有機(jī)化合物污染環(huán)境并威脅人類健康，研究表明利用吸附法去除有機(jī)物不僅經(jīng)濟(jì)高效還能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)污染物的回收和利用。

2.2.1" 土壤中有機(jī)物

土壤中有機(jī)污染物主要包括抗生素、農(nóng)藥殘留物、化工行業(yè)廢渣廢水等。研究表明，改性生物炭對(duì)土壤中有機(jī)物具有很好的去除效果。周蒙蒙[17]等以玉米秸稈為原料制備水熱炭，模擬不同pH值、離子強(qiáng)度、初始濃度以及制備溫度下水熱炭對(duì)水中阿特拉津吸附效果。結(jié)果表明，水熱炭對(duì)阿特拉津的吸附量隨制備溫度的升高而增加，進(jìn)一步證實(shí)玉米秸稈水熱炭可有效吸附水中的阿特拉津，具有較好的應(yīng)用前景。成潔[18]以玉米秸稈為原料制備了生物炭，研究了生物炭對(duì)金霉素、四環(huán)素和土霉素在土壤中的吸附與解吸特性，發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)3種抗生素都有良好的吸附效果。

2.2.2" 水體中有機(jī)物

水體中有機(jī)污染物污染會(huì)誘發(fā)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，大量研究表明生物炭對(duì)水中有機(jī)物吸附具有良好效果。繆旭東[19]等制備了玉米秸稈生物炭，研究生物炭對(duì)丙酮和甲苯的吸附特性，結(jié)果顯示在連續(xù)5次吸附-脫附循環(huán)后依然具有較高的吸附能力，說(shuō)明生物炭是具有良好應(yīng)用前景的有機(jī)物吸附劑。李音[20]等以竹子為原料制備生物炭，并通過(guò)NaOH和高溫煅燒進(jìn)行改性，用改性生物炭去除水溶液中2-萘酚和剛果紅，結(jié)果表明改性后生物炭能增加其對(duì)2-萘酚和剛果紅的吸附容量，但高溫煅燒改性生物炭對(duì)兩種有機(jī)物的去除效果不明顯。

2.3" 有害氣體吸附

氣候變化是人類面臨的一大威脅，大氣中CO2、CH4、N2O是最主要的溫室氣體，生物炭具有降碳效果可以抑制溫室氣體的排放。鄧淋[21]等制備了蓮桿基生物炭，采用BET、TG方法進(jìn)行表征分析，探究了不同條件下生物炭對(duì)CO2的吸附性能。結(jié)果表明，溫度和升溫速率生物炭的吸附效果有明顯影響，在30 ℃、50 mL·min-1條件下，生物炭的吸附量可達(dá)74.98 mg·g-1。江超[22]等在處理老舊填埋場(chǎng)中無(wú)組織釋放的氣體帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題中，通過(guò)吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)添加生物炭能提高土壤CH4和CO2吸附能力，結(jié)果表明，以生物炭為介質(zhì)的生物覆蓋層不僅可以提高CH4氧化能力，還可有效吸附以CH4和CO2為主的溫室氣體。

2.4" 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

生物炭可有效改良土壤養(yǎng)分，提高土壤堿基飽和度，在農(nóng)業(yè)方面有很大應(yīng)用。遲青山[23]為了明確生物炭與土壤微生物相互作用對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響，探討了生物炭提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的作用機(jī)理，分析比較了不同生物炭及其水溶性成分對(duì)土壤有益微生物生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明，生物炭與土壤微生物的相互作用能夠?qū)⑿“撞酥械牡睾刻岣?3.3%，磷元素含量提高1.4倍，但實(shí)驗(yàn)中對(duì)鉀元素含量沒(méi)有顯著影響，同時(shí)證明了生物炭在土壤中能夠通過(guò)促進(jìn)土壤微生物的生長(zhǎng)和活性，提升土壤肥力，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。李洋洋[24]通過(guò)大田及室內(nèi)試驗(yàn)研究了生物炭與果樹專用肥、炭基肥混施對(duì)蘋果產(chǎn)量、果實(shí)品質(zhì)的影響及生物炭對(duì)養(yǎng)分淋溶及氨揮發(fā)的影響。結(jié)果表明，單施生物炭可以促進(jìn)土壤中速效鉀、有效磷等有效養(yǎng)分的增加，證明生物炭是農(nóng)業(yè)上良好的土壤改良劑。

3" 展望

目前針對(duì)生物炭及其改性方法的討論很多，但大多集中在實(shí)驗(yàn)階段上，在應(yīng)用操作中缺乏實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，可能會(huì)限制生物炭的大規(guī)模制備和使用，因此要通過(guò)試驗(yàn)推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用發(fā)展，選擇合適的改性方法優(yōu)化生物炭的吸附性能。生物炭對(duì)重金屬和有機(jī)物具有良好的吸附效果，在制備及改性生物炭的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，不同生物炭對(duì)于特定污染物的去除效果不同，應(yīng)分析目標(biāo)污染物的種類及制備條件，選擇合適的改性方法。在實(shí)際應(yīng)用中要積極開發(fā)生物炭的性能，利用生物炭解決環(huán)境污染等問(wèn)題，將會(huì)獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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Modification of Biochar and Its Application Progress

in the Environmental Pollution Control

LIU Yan， DU Yi-tong

（Shenyang Jianzhu University， Shenyang Liaoning 110168， China）

Abstract：" Biochar is a new type of green and environmentally friendly adsorption material， which is effectively used in the field of environmental pollution control. Modification of biochar by physical， chemical and biological methods can strengthen its function and significantly improve its activity， which is conducive to the efficient utilization of biochar and enhances its application potential in environmental remediation. In this paper， the literatures on modified biochar in recent years were systematically analyzed， the modification methods of biochar and the application of modified biochar in the environmental field were summarized and discussed， and finally the prospect of the application of biochar was put forward.

Key words：" Biochar; Modification; Application