劉 蕊， 李 松,3， 羅 璇， 劉丹丹， 張 輝

(1.貴州師范學(xué)院地理與資源學(xué)院， 貴陽 550018； 2.貴州省流域地理國情監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴陽 550018； 3.貴州師范學(xué)院資源環(huán)境與災(zāi)害研究所， 貴陽 550018)

生物質(zhì)是一切生物體生命活動(dòng)產(chǎn)生的有機(jī)物。從狹義上講，主要指生物質(zhì)廢棄物。中國每年產(chǎn)生生物質(zhì)廢棄物數(shù)十億噸，如何采取有效技術(shù)處理不僅關(guān)系到廢棄物的潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值而且是環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵。熱化學(xué)轉(zhuǎn)化是處理廢棄生物炭質(zhì)的有效方法之一。目前常用的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法有：慢熱解、快速熱解、水熱、氣化、烘烤，這些方法將制得不同產(chǎn)物(表1)。

表1 不同熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方法的條件及主要產(chǎn)物[1]Table 1 Conditions of different thermochemical processes and primary products[1]

生物炭是一種細(xì)顆粒狀木炭，富含有機(jī)碳且難降解[2-4]。它是生物質(zhì)炭化后的產(chǎn)物，其英文biochar是在2007年澳大利亞第一屆國際生物炭會議上取得的統(tǒng)一命名。最早生物炭是利用慢速熱解方法制備，如今的生物炭也可以通過其他熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方式制得[5-6]。生物炭通常具有碳含量豐富，比表面積大、孔隙度高、表面官能團(tuán)和營養(yǎng)成分豐富等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來很多學(xué)者相繼在Nature、Science等世界著名科學(xué)雜志上發(fā)表關(guān)于生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)方面的文章，強(qiáng)調(diào)其具有的特性在土壤改良、碳固定、溫室氣體排放控制及污染水體修復(fù)方面有巨大潛力。隨著研究深入，人們發(fā)現(xiàn)多數(shù)利用生物質(zhì)直接制備的原始生物炭(prinstine)吸附能力有限且回收再利用和固液分離困難，為了改善生物炭上述不足，功能化生物炭的研發(fā)及應(yīng)用研究成為熱門。現(xiàn)對近年已開展的功能化生物炭對水體無機(jī)污染物的吸附研究進(jìn)行了歸納和分析，總結(jié)了吸附水體無機(jī)污染物的功能化生物炭的制備方法、吸附性能、機(jī)制和影響因素，并提出該類功能化生物炭進(jìn)一步研究的相關(guān)科學(xué)問題，最終為發(fā)展修復(fù)無機(jī)污染水體的高效生物炭吸附劑提供理論依據(jù)。

1 磁性生物炭吸附水中無機(jī)污染物

當(dāng)前，磁性生物炭的制備方法主要可歸納為5種：共沉淀法、水熱/溶劑法、浸漬法、直接熱解法和球磨法，其中前3種方法制備的磁性生物炭已在水中無機(jī)污染物的吸附中開展廣泛研究。共沉淀法是以Fe鹽溶液加入沉淀劑，生成具有磁性的難溶Fe鹽/水合氧化物，然后利用共沉淀方式沉積到生物炭表面/內(nèi)部直接得到，或沉積到生物炭/生物質(zhì)表面/內(nèi)部，再經(jīng)過熱解方式得到最終產(chǎn)物，如Fe3O4生物炭[7]和Fe3O4/γ-Fe2O3生物炭[9]等均可采用該方法制得。該方法制備的磁性生物炭制備時(shí)間短、易操作、成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)，是當(dāng)前快速批量制備吸附水中無機(jī)污染物磁性生物炭的常用方法。水熱/溶劑法是將生物炭或生物質(zhì)與Fe化合物混合，在高溫高壓下以水或非水溶劑為介質(zhì)，使Fe氧化物以磁性結(jié)晶形式析出，并均勻負(fù)載在生物炭的方法。該方法已成功制得Fe3O4生物炭[10]、MnFe2O4生物炭[11]和負(fù)載MgFe層狀氫氧化物生物炭[12]等可用于吸附水中無機(jī)污染物的磁性生物炭。該方法易于控制鐵氧化物的純度、粒徑和形貌，且水熱炭化相對能耗低，但需在高溫、高壓環(huán)境下進(jìn)行，因此對設(shè)備要求較高，還不適合大規(guī)模應(yīng)用。浸漬法是利用生物炭的吸附能力將溶液中的Fe磁性物質(zhì)負(fù)載于生物炭表面，或?qū)⒑現(xiàn)e化合物的溶液對生物質(zhì)/生物炭預(yù)處理后，通過熱解轉(zhuǎn)化成磁性生物炭的制備方法。該方法不僅可以制得多種吸附水中無機(jī)污染物的Fe磁性生物炭，如Fe3O4生物炭[13]、γ-Fe2O3生物炭[14]、CoFe2O4生物炭[15]和Fe0生物炭[16]等，而且磁性物質(zhì)與生物炭結(jié)合穩(wěn)定，是新型磁性生物炭研發(fā)的常用方法。

磁性生物炭除了可以方便回收利用外，磁性物質(zhì)的引入可能會改變原始生物炭的特性，如增加比表面積和吸附位點(diǎn)、改變表面電性和孔徑大小、促進(jìn)含氧官能團(tuán)生成、提高還原性能等。此外，部分引入的磁性物質(zhì)能通過水解后的電性或以配位體、電子供體等方式作為吸附位點(diǎn)直接參與吸附，這些都有利于提高生物炭吸附水中無機(jī)污染物的能力。通過等溫吸附、吸附動(dòng)力和吸附前后磁性生物炭特性分析，學(xué)者揭示了磁性生物炭吸附無機(jī)污染物的機(jī)制：主要被還原、沉淀、靜電吸附、絡(luò)合、離子交換控制。表2所示為近年來磁性生物炭吸附水體無機(jī)污染的代表性相關(guān)研究。

表2 磁性生物炭吸附水體無機(jī)污染物的代表性相關(guān)研究Table 2 Representative research on adsorption of inorganic contamination in aqueous solution with magnetic biochar

2 生物炭納米復(fù)合材料吸附水中無機(jī) 污染物

表3 生物炭納米復(fù)合材料吸附水中無機(jī)污染物的代表性相關(guān)研究Table 3 Representative research on adsorption of inorganic contamination in aqueous solution with biochar nanocomposites

3 其他功能化生物炭吸附水中無機(jī)污 染物

表4 其他功能化生物炭吸附水中無機(jī)污染物的部分相關(guān)研究Table 4 Representative research on adsorption of inorganic contamination in aqueous solution with multifunctionalized biochar excluding magnetic biochar and biochar nanocomposites

續(xù)表4

4 功能化生物炭吸附水中無機(jī)污染物 的影響因素

5 展望

生物炭具有較大的比表面積、孔隙率和豐富的含氧官能團(tuán)，不僅可以直接作為吸附劑，也可以作為載體負(fù)載其他具有吸附功能的基團(tuán)/物質(zhì)共同作為吸附劑。針對水中不同無機(jī)污染物特性，當(dāng)前各國學(xué)者已采用多種方法將特定基團(tuán)/物質(zhì)負(fù)載到生物炭制得不同功能化生物炭。與原始生物炭相比，這些功能化生物炭均能更好吸附目標(biāo)污染物，部分功能化生物炭(磁性生物炭)甚至有利于水中分離。盡管功能化生物炭在水中無機(jī)污染物吸附研究方面已取得諸多進(jìn)展，但要使其真正進(jìn)入實(shí)用化和工業(yè)化，今后仍需重點(diǎn)開展如下研究。

(1)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為功能化生物炭的炭化過程大部分仍在高溫(>400 ℃)、缺氧/無氧環(huán)境中完成，能源消耗大，增加了制備成本和環(huán)境承載力，需尋求節(jié)能的功能化生物炭制備工藝。

(2)多數(shù)功能化生物炭對目標(biāo)污染物的吸附效果通常為單次吸附結(jié)果，從資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)角度考慮，有必要對吸附后的“飽和炭”進(jìn)行洗脫以滿足循環(huán)利用的需求，但當(dāng)前針對功能化生物炭洗脫工藝的報(bào)道較少，理論基礎(chǔ)有待完善，因此有必要對功能化生物炭的循環(huán)利用潛力進(jìn)行研究。

(3)需對功能化生物炭發(fā)生老化后的吸附情況進(jìn)行研究，即功能化生物炭的長效性。