生物質用作吸附劑處理污水研究進展

常興濤++李潤娟++岳建芝

摘要：選取2007-2011年和2012-2016年2個時間段，對CNKI數據庫有關生物質用作吸附劑處理污水的論文進行統計對比，總結了生物質吸附劑的研究熱度變化、材料選取、改性方法的運用和吸附理論的分析等方面。認為2012-2016年有關生物質吸附劑在污水處理方面的研究熱度大幅度提高；但生物質吸附劑的材料選取變化不明顯，以炭化生物質為主；對于吸附劑的改性以高溫熱解和酸堿改性為主。2012-2016年研究新型改性方法比例有所增加。2007-2011年有關吸附理論的研究以物理吸附理論為主，2012-2016年轉變為化學吸附理論為主，吸附理論更加具有說服力。

關鍵詞：生物質吸附劑；污水處理；吸附材料；改性；吸附原理

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）16-3005-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.16.002

Research Progress in Biomass Used as Adsorbent for Wastewater Treatment

CHANG Xing-tao，LI Run-juan，YUE Jian-zhi

（Biomass Energy Collaborative Innovation Center of Henan Province，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China）

Abstract： The research of biomass as adsorbent for wastewater treatment in 2007-2011 were compared with the 2012-2016 through CNKI. Changes of research hot topics in biomass adsorbent，choices of adsorption material，methods of adsorbent modification and theory of adsorption in biomass adsorbent were reviewed. The researches of biomass used as adsorbent for wastewater treatment in 2007-2011 had been compared with 2007-2011；Carbonization biomass as research adsorption materials were main choice，it was not obvious that change in the choice of the biomass adsorption materials. The adsorbent modification was mainly by pyrolysis and acid-base modification，and the proportion of new modification methods had increased in 2012-2016.The theory of adsorption was mainly based on the theory of physical adsorption in 2007-2011，while the theory of chemical adsorption in 2012-2016.

Key words： biomass adsorbent；wastewater treatment；adsorption material；modification；t-heory of adsorption

中國是一個農業生產大國，農業生物質資源豐富，數量巨大，農業生產廢棄物年產量可達到7億t。這些農業生物質完全是通過太陽的光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物[1]。農業生物質資源主要分為農作物秸稈和農產品加工廢棄物兩部分。農作物秸稈主要包括水稻、玉米和小麥秸稈等；農產品加工廢棄物主要有玉米芯、稻殼、花生殼、甘蔗渣等[2]。農作物秸稈在傳統的利用方式中，有31.9%用于牲畜飼料，17.8%作為生活燃料，15.6%用于造肥還田，2.6%作為工業原料，2.6%用于食用菌基料，剩余的絕大多數是作為廢棄物拋棄或焚燒掉了[3]。生物質資源除了具有熱值高的特點之外，還具有體積龐大、粗纖維含量豐富、孔隙發達等結構特點，并且經高溫加熱之后產物具有很強的吸附性。

工業廢水是造成水污染的重要污染源。據可靠數據顯示，2008年工業廢水排放量占當年廢水總排放量的42.3%[4]。工業廢水里面含有大量的重金屬離子，這些離子的大量富集對于自然環境和人類健康造成很大的危害。此外，養殖污水中COD和氨氮含量非常高，僅2010年COD和氨氮排放量分別占農業污染源總排放量的96%和38%，分別占全國總COD和氨氮排放量的41.9%和41.5%[5]。這些污染源對中國水環境造成極大的危害。現階段的水污染治理大體可分為物理法、化學法、物理化學法、生物化學法等[6]。這些方法又可細分為過濾、沉淀、離心分離、氣浮（浮選）、蒸發結晶、反滲透、中和法、混凝法、氧化還原法、化學沉淀法、萃取法、吸附法、吹脫法、膜分離法、活性污泥法和生物膜法等。對于富含有機物的污水，一般方法很難徹底降低有機物含量，而吸附法可以更徹底的去除污水當中的有機物[7]。

近年來，關于生物質作為吸附劑凈化污水的研究越來越多。最早的有關生物質吸附劑處理污水是利用生物活性炭對水中有機物及溶解氧的強吸附特性，以及活性炭表面作為微生物聚集繁殖生長的良好載體，在適宜條件下，同時發揮活性炭的吸附作用和微生物的生物降解作用，這種協同作用的水處理技術稱為“生物活性炭”[8]。從生物活性炭開始，到現在的多種多樣的生物質吸附劑材料，可以說關于生物質吸附劑的研究已經取得了一定的進展。endprint

1 生物質材料用作吸附劑的研究方向

目前，關于生物質吸附劑的研究主要目的仍然是尋找快速、有效、成本低廉的吸附劑。現階段對于生物質吸附劑的研究主要集中在試驗條件對其影響、吸附原理的分析和改性方法的使用等方面。

1.1 試驗條件對生物質吸附劑吸附效果的影響

適宜的試驗條件可以有效地提高生物質吸附劑的吸附效果。溶液初始pH、溶液初始質量濃度、吸附溫度、吸附時間等都可以影響生物質吸附劑的吸附效果。溶液初始pH通常會影響到生物質吸附劑的某些化學鍵的存在形式，從而改變吸附劑的化學性質，影響其吸附效果。生物質吸附劑的一般活性位點是有限的，如果溶液初始質量濃度過高，超過了原有活性位點所能吸收的溶液離子，相應的吸附率也就發生了改變。而吸附溫度往往影響吸附的反應熱，改變吸附的反應平衡，從而導致吸附率的改變。吸附過程包括化學吸附，所以吸附過程也存在吸附動態平衡，當達到一定反應限度之后，如果沒有立即停止試驗，可能會導致吸附平衡向反方向移動，所以吸附時間也會改變生物質吸附劑的吸附率。

1.2 生物質吸附劑的吸附原理

生物質吸附劑的吸附原理包括物理吸附、化學吸附和物理化學混合吸附等。現階段通過建立吸附動力學模型來判斷吸附原理。物理吸附是由分子間范德華力引起的吸附，分子或原子由于表面負電性的差異導致對電子吸引的強弱程度不同，進而產生了電子偏移，電子向負點性較大的一邊聚集，產生偶極。由于物理吸附是分子之間的引力引起的吸附，所以吸附力較弱，吸附熱較小，吸附速度也較快，且物理吸附一般是可逆的；化學吸附是伴隨電荷移動而形成相互作用，從而導致原子的重排、舊化學鍵的破壞和新化學鍵的形成，其間發生了化學反應，吸附過程較慢，一般為放熱反應，不可逆[9]。混合吸附是指吸附過程當中既存在物理吸附又存在化學吸附，兩種吸附機理共同作用，完成吸附過程。最常見的是某些物質在低溫時發生物理吸附，但在高溫時發生化學吸附。

1.3 生物質吸附劑的改性方法

生物質吸附劑的活化改性方法從大方面分為物理改性、化學改性和生物改性等。物理改性指通過改變生物質吸附劑的內部結構和表層特征，來實現對吸附效果的影響，一般包括超聲波改性、微波改性、熱解改性和簡單的粉碎等手段，化學改性是通過加入部分化學物質（酸、堿、有機物等）使生物質吸附劑與其發生化學反應，生成更易發生吸附的物質，而生物改性則是通過借助某種細菌的生理特性，來提高生物質吸附劑的吸附能力。

2 生物質材料用作吸附劑研究的發展變化

通過查閱相關論文來研究近十年來生物質吸附劑的發展變化。相關論文數據來自中國同方知網（CNKI）數據庫。

2.1 2007-2011年與2012-2016年間關于生物質吸附劑研究熱度分析

由圖1可知，近10年關于生物質吸附文獻篇數總體呈現遞增趨勢。其中2007年篇數最少，為10篇。而2015年篇數最多，為61篇，是2007年的6.1倍。雖然在2016年有部分回落，但也達到了34篇。其中前5年共計108篇，而后5年卻達到了181篇，是前5年的1.68倍。由此來看，關于生物質吸附劑研究的熱度是明顯增加的。

2.2 2007-2011年與2012-2016年關于生物質吸附劑不同材料研究熱度分析

由圖2可知，2007-2011年利用玉米芯作為吸附材料的研究有6篇，而2012-2016年共有12篇；2007-2011年利用秸稈作為吸附材料的研究有17篇，而2012-2016年共有30篇；2007-2011年利用花生殼作為吸附材料的研究有14篇，而2012-2016年共有9篇；2007-2011年利用竹炭和秸稈炭作為吸附材料的研究有15篇，而2012-2016年共有55篇；2007-2011年利用核桃殼作為吸附材料的有5篇，而2012-2016年共有10篇。相比之下，就研究材料來說，2012-2016年除了對花生殼的研究相對減少，其他研究都明顯增加。特別是關于竹炭和秸稈炭的研究，從2007-2011年的14篇增加到2012-2016年的55篇。2007-2011年對于生物質吸附劑的研究主要集中在對秸稈的改性方面，占總篇數的13.9%，其次是對竹炭和秸稈炭的研究，占總篇數的12.9%。而在2012-2016年當中，對竹炭和秸稈炭的研究論文篇數占到了30.4%，成為生物質吸附劑研究的熱門方向。

2.3 2007-2011年與2012-2016年關于活化改性生物質吸附劑方法研究的熱度分析

生物質改性處理是提高其吸附能力的有效方法之一。改性過的生物質吸附劑具有良好的經濟價值，同時對于污水問題的解決，提供一種經濟、可靠的解決方案是環境友好型吸附劑。因此，對改性生物質吸附劑的研究是今后提高其吸附率的重中之重[10]。

由圖3可知，其中每5年內均以高溫熱解改性為主，前5年間共有55篇關于高溫熱解的文獻，占該時間段總文獻數的50.9%，近5年共有74篇，占到40.9%。接下來是酸堿改性處理，前5年共計34篇，占比31.5%，近5年共計46篇，占比25.4%。然后是無機鹽改性，前5年共16篇，占比14.8%，近5年當中無機鹽改性共有12篇，占比6.6%。前5年當中簡單粉碎處理的有10篇，占比9.3%，近5年中共有4篇，占比僅2.2%，前5年中無任何處理的共計7篇，占到6.5%，近5年中共計13篇，占到7.2%。前5年中有機物處理的共計5篇，占比4.6%，近5年共計12篇，占比6.6%。除此之外，前5年中超聲波改性1篇、生物改性1篇、微波改性2篇，總共4篇，占比3.7%，近5年中生物改性和微波改性各2篇，沒有關于超聲波改性的文章，總計4篇，占比2.2%。另外，近5年當中有關于改性技術方面的綜述性研究論文，可以說這5年中關于改性處理的研究，已經有了技術創新的趨勢。總的來說，2007-2016年這10年對于改性方法運用的方向是以物理式熱解改性和酸堿改性為主，這可能是由于這兩種改性方法操作簡單，成本相對較低，且改性后效果明顯，而生物法、微波法和超聲波改性法不易操作，成本較高，效果不是很明顯，研究相對較少。endprint

2.4 2007-2011年與2012-2016年關于生物質吸附劑吸附原理的研究分析

由圖4可知，2007-2011年間生物質吸附劑吸附實驗運用最多的是物理吸附，共計20篇，其次是化學吸附，共計10篇，混合吸附（混合吸附當中的物理吸附和化學吸附也考慮在單一吸附中）僅有2篇，沒有明確指出的共計75篇，2012-2016年中運用化學吸附原理的文獻共計49篇，運用物理吸附的有29篇，混合吸附的有10篇，沒有明確指出的共有99篇。由此可見在，很多研究文獻并沒有明確指出試驗所運用的吸附原理，這可能是因為吸附情況較為復雜，很多研究人員未能清晰地總結出吸附試驗的真正原理。除此之外，對于以上數據的對比得出，有關化學吸附和混合吸附的研究在2012-2016年有明顯增多的趨勢，這很可能是因為物理吸附不需要考慮吸附過程新物質的產生，只需要考慮吸附劑與被吸附物質之間是否產生范德華力或者氫鍵即可，試驗過程相對簡單，所以在2007-2011年內研究不深入的情況下得出的結論，而化學吸附則需要考慮分子與原子（或分子）之間發生的電子轉移、交換或共有，形成吸附化學鍵和新物質的可能性，研究相對于物理吸附較為復雜，所以在2007-2011年中較少。隨著研究的深入，在2012-2016年當中，越來越多的化學吸附被研究人員發現，而且混合吸附模式也有明顯增多的跡象。

3 結論

根據2007-2011年與2012-2016年間有關生物質吸附劑論文的研究與統計，可以得出以下結論：

1）有關生物質吸附劑在污水處理方面的研究論文篇數從2007-2011年的108篇到2012-2016年的181篇，研究熱度呈增大趨勢。

2）生物質吸附劑的材料選擇呈現多樣化，已有論文研究了玉米芯、秸稈、花生殼、竹炭和秸稈炭和核桃殼的吸附能力和吸附條件等。但是現階段的材料選取還主要是以炭化生物質為主，有關秸稈、玉米芯之類的未經深加工的材料研究相對較少。

3）為了提高生物質吸附材料的吸附性能，近年來出現了很多關于生物質吸附劑的改性研究，包括高溫熱解改性、酸堿改性、無機鹽改性、超聲波改性、生物改性、微波改性、有機物改性和無改性處理等。其中2007-2011年和2012-2016年間有關高溫熱解和酸堿改性的研究熱度一直比較高，但是2012-2016年間占比已經有所下降。超聲波改性、微波改性等新型的改性方法研究已經在文獻里面有所體現，未來可能會有更多的新方法涌現。

4）通過對2007-2011年和2012-2016年間研究關于生物質吸附劑吸附原理的論文可以看出，2007-2011年吸附主要以物理吸附為主，2012-2016年間化學吸附和混合吸附形式明顯增多，且化學吸附占據主導地位。隨著研究的不斷深入，吸附理論的得出會更加具有依據性，更有說服力。同時，也能為生物質吸附劑的研究提供更加準確的理論依據。

總之，生物質吸附劑的研究與應用符合建設環境友好型社會的要求，在未來的環境治理中，特別是工農業污水處理當中，生物質吸附劑定將會發揮其獨特的作用。

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