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生物炭作为吸附剂在水处理中的应用现状
吴来荣,刘永德
（河南工业大学化学化工与环境学院,河南 郑州 450001）
摘 要：近年来,生物炭在环境修复方面,尤其是在关乎人类健康的水环境中的应用潜力受到广大学者的关注.由于生物炭本身的异质性以及污染物种类性质的不同,生物炭对污染物的吸附过程、效果及机理上都会存在差异.基于此,总结了生物炭作为吸附剂在水处理中的应用现状,并在此基础上展望了生物炭的发展前景.
关键词：生物炭；水处理；应用现状；发展前景
中图分类号：X703
生物质废弃物的不当处理不仅是资源的浪费,还可能污染环境.将废弃生物质转化为生物炭应用于污水处理, 不仅可以实现生物质的合理处置以及资源化,还可达到“以废治废”的目的[1] .不同来源的生物炭在水处理中的应用对象也不一样,因此,总结不同原材料制备的生物炭的性质差异及其对不同污染物的去除效果,有利于根据研究目的的不同,选择合适的生物炭.
1 生物炭的定义及特性
1.1 生物炭的定义
生物炭是指在低氧环境下, 通过高温裂解将木材、草、玉米秸秆或动物粪便等进行碳化,是以固定碳元素为目的的炭.目前,生物炭的制备多采用高温分解法, 在400～600 ℃的高温下将生物质置于缺氧状态下,对其有控制地进行高温慢速裂解[2] .裂解产物除了生物炭外,还包括焦油、裂解气和木醋液等副产品[3] .
1.2 生物炭的特性
生物炭无论在低温或高温下都有很好的稳定性,因为生物炭几乎全部由碳元素组成,而且碳原子彼此间具有极强的亲合力[2] .生物炭表面有很多孔洞,其比表面积很大,孔隙大的可以达到 750 ～ 1 360 m 2 /g,孔隙小的也能达到51～138 m 2 /g, 生物炭的密度也很小,一般为 1.5 ～ 1.7 g/cm 3 ,容重为 0.3 ～ 0.7 g/cm 3 ,由于这些特性,生物炭可作为吸附剂在水处理中加以应用[4-5] .
2 生物炭在水处理中的应用现状
2.1 生物炭去除水中重金属的研究
计海洋等[6]以蚕丝被废弃物为原料,在 300、500、700 ℃高温缺氧条件下热解炭化制备成 3 种生物炭（BC300、BC500 和 BC700）,并研究了不同温度下制备的生物炭对溶液中 Cd 2+ 的吸附特性.结果表明：随着炭化温度上升,BET 比表面积、pH、灰分均增大,生物炭表面形态结构越来越不规则.Langmuir 方程能更好地拟合 3 种生物炭对 Cd 2+ 的吸附等温过程,其最大吸附量分别为 25.61、52.41、91.07 mg/g.3 种生物炭对 Cd 2+ 吸附过程均更符合准二级动力学方程,且 BC700 对 Cd 2+ 的吸附效果最佳.
2.2 生物炭去除水中硝酸盐的研究
王荣荣等[7]以花生壳为原料,300℃热解条件下制得生物炭.通过批量平衡吸附试验,探索硝态氮（NO 3 - -N）在生物炭表面的吸附机制.结果表明,生物炭对 NO 3 - -N 的吸附显著受溶液 pH 值影响,当 pH<6时有利于吸附的进行.随溶液初始 NO 3 - -N 浓度增加,生物炭对其吸附量逐渐增加,在初始浓度 800 mg/L 的吸附体系中,最大吸附量达 40 mg/g,Freundlich 方程可较好地拟合（R 2 等于0.975）生物炭对NO 3 - -N等温吸附过程.
张文[8]等以两种水生植物香蒲和芦苇制备的生物炭为吸附剂,硝酸钾溶液为吸附质,研究生物炭对水体硝态氮的去除效果.结果表明,两种生物炭对硝态氮的吸附均符合伪二级吸附动力学方程.香蒲生物炭和芦苇生物炭的最大吸附量分别为15.55和10.63 mg/g.
2.3 生物炭去除水中有机染料的研究
季雪琴等[9]研究了裂解温度分别为 500 ℃和 700 ℃的两种水稻秸秆生物炭（分别标记为 W500、W700）对有机染料日落黄和亚蓝的吸附作用及吸附机制.结果显示,生物炭对两种染料的吸附均符合准二级动力学方程,等温吸附曲线均可用 Freundlich 模型较好地描述,但其对两种染料的吸附机制显著不同.
尹丽等[10]在 600 ℃缺氧条件下,热解制得牛粪源生物炭（CBC）,采用 SEM、FTIR 和 XRD 等分析手段对生物炭理化性质进行表征,并通过静态平衡吸附法研究了 CBC 对紫的吸附动力学及热力学过程.结果表明,紫的吸附量随着其初始浓度的增加而增大,初始浓度由 10 mg/L 增加到 40 mg/L,平衡吸附量由 5 mg/g 提高到 30 mg/g,吸附过程先快后慢,60 min 后吸附达到平衡.
2.4 生物炭去除水中抗生素的研究
赵涛[11]等利用皇竹草制备成生物炭,同时探讨其对水中磺胺类抗生素的吸附特性.结果表明,在 25 ℃、pH 5、皇竹草炭用量分别为 8 g/L 和 5 g/L、磺胺类抗生素的质量浓度为 10 mg/L 条件下吸附 4 h,磺胺嘧啶（SDZ）和磺胺氯哒嗪（SCP）的去除率分别能达到93.6% 和 92.7%.皇竹草炭对磺胺类抗生素的吸附动力学符合拟二级动力学方程, 吸附等温线符合Freundlich方程.
王开峰等[12]研究了 3 种热解温度,分别为 300 ℃（S300）、450 ℃（S450）和 600 ℃（S600）的水稻秸秆生物炭对两种磺胺类抗生素的吸附性能及机制,同时考察了溶液pH值及离子强度对吸附的影响.结果表明,生物炭对磺胺二嘧啶（2）和磺胺甲恶唑（X）的吸附均符合准二级动力学方程；等温吸附曲线用Langmuir 方程拟合优于 Freundlich 方程,600 ℃热解的秸秆炭对 2 和 X 的最大吸附量分别可达到2 857.1 mg/kg 和 1 724.1 mg/kg.
3 生物炭作为吸附剂在水处理中的前景展望
不同来源的生物炭对不同的污染物有不同的吸附效果及机理.目前的研究热点主要集中于对重金属、无机盐、有机染料和抗生素的去除,而且均有较好的去除效果.因此,根据研究目的来选择合适的生物炭用于污水处理极具应用前景.
水处理论文范文结:
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