生物炭復(fù)合材料對水中污染物吸附的應(yīng)用進(jìn)展

王小梅

[摘要]生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和豐富的含氧官能團，如羧基、酚羥基、酸酐等。生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積，這些特點使生物炭具有較好的吸附性能并成為優(yōu)質(zhì)的吸附材料，將生物炭應(yīng)用于實際環(huán)境中，旨在強烈吸附污染物消減環(huán)境污染。已有大量的研究表明，一些農(nóng)業(yè)廢棄物如袖子皮、蘆葦、小麥秸稈、等制備成生物炭用于環(huán)境污染物的吸附研究。所以，生物炭是一種環(huán)保、經(jīng)濟、易得的新型吸附材料。

[關(guān)鍵詞]生物炭復(fù)合材料 吸附行為 應(yīng)用

1環(huán)境中的生物炭

生物炭，是由農(nóng)業(yè)廢棄物和生活垃圾等在缺氧或無氧條件下經(jīng)過高溫?zé)峤庵苽涞玫降囊活惥哂蟹枷慊墓虘B(tài)混合物。近年來，農(nóng)業(yè)廢棄物的回收和重復(fù)利用，已經(jīng)越來越受到人們的廣泛關(guān)注。農(nóng)業(yè)廢棄物如果不能得到妥善的處理，必然會污染環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用具有十分重要的意義。以農(nóng)業(yè)廢棄物制備得到的生物炭，自身相對安全，有毒物質(zhì)及重金屬含量較少。所以將這種生物炭用于實際環(huán)境中，可避免生物炭自身對環(huán)境帶來的二次污染。生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積和豐富的含氧官能團，如羧基、酚羥基、酸酐等。生物炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)，巨大的比表面積，這些特點使生物炭具有較好的吸附性能并成為優(yōu)質(zhì)的吸附材料，將生物炭應(yīng)用于實際環(huán)境中，旨在強烈吸附污染物消減環(huán)境污染。已有大量的研究表明，一些農(nóng)業(yè)廢棄物如柚子皮、蘆葦、小麥秸稈、等制備成生物炭用于環(huán)境污染物的吸附研究。所以，生物炭是一種環(huán)保、經(jīng)濟、易得的新型吸附材料。

2生物炭復(fù)合材料的吸附行為

2.1生物炭復(fù)合材料的制備

復(fù)合材料是利用一定的方法將兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組合成一種具有新特性和新結(jié)構(gòu)的一種材料。復(fù)合材料中的各種材料相互吸取優(yōu)點達(dá)到協(xié)同效應(yīng)。近年來，生物炭具有優(yōu)良的吸附特性在環(huán)境中廣泛地應(yīng)用，受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，然而一方面，生物炭部分表面官能團會隨著制備溫度的升高而損失，另一方面吸附污染物后很難從環(huán)境中分離，而且也不能重復(fù)利用等缺點。所以為了生物炭在今后的使用過程中能夠發(fā)揮最大的吸附能力，已有國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，表明通過一些物理或化學(xué)的方法將生物炭與其他材料復(fù)合，可以彌補單獨使用生物炭時的不足，同時也可以吸收其他材料的優(yōu)點進(jìn)而加強生物炭的吸附能力。如今常見的生物炭復(fù)合材料主要有生物炭-無機物復(fù)合材料、生物炭-納米復(fù)合材料、生物炭-磁性復(fù)合材料、利用酸、堿等改性生物炭材料。將一些吸附性能較好的無機材料與生物炭復(fù)合，使得生物炭表面官能團、電荷數(shù)量等發(fā)生變化，增強了與污染物的作用能力。

納米材料和生物炭相結(jié)合制備復(fù)合材料，可以顯著提高生物炭表面的化學(xué)含氧官能團，增加吸附位點，進(jìn)而提高對污染物的結(jié)合能力。Zhang等將棉花秸稈生物炭與AICl3-6H2O溶液混合2h后在80℃下烘干，600℃無氧下裂解th，得到生物炭一納米氧化鋁復(fù)合材料。生物炭-納米氧化鋁復(fù)合材料對亞甲基藍(lán)的最大吸附量是生物炭的10倍，主要是由于生物炭一納米氧化鋁復(fù)合材料中增加了炭納米獨特的結(jié)構(gòu)，增加了活性吸附位點，提高吸附能力。

其他生物炭復(fù)合材料：一般而言，對生物炭進(jìn)行改性處理，都會提高生物炭對污染物的吸附能力。通過改性，可以增加生物炭的表面吸附位點，特別是增加了表面官能團的數(shù)量和種類。

2.2生物炭復(fù)合材料對水中污染物吸附

綜上所述，生物炭復(fù)合材料對環(huán)境污染物有較好的去除能力。近年來，生物炭復(fù)合材料一直是環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點，特別是越來越多的學(xué)者，將生物炭復(fù)合材料用于對水中污染物的吸附，包括無機污染物和有機污染物。

Ling等研究了玉米秸稈生物炭一錳氧化物復(fù)合材料對水中Cu2+的吸附效果，發(fā)現(xiàn)生物炭一錳氧化物復(fù)合材料對Cu2+的最大吸附量為160 mg/g是未改性生物炭的8倍。這是由于錳氧化物改性后，一方面生物炭表面的含氧官能團顯著增加，而且生物炭與錳氧化物形成了配合物，另一方面是陽離子交換和陽離子-π鍵作用，共同提高了生物炭-錳氧化物復(fù)合材料對Cu2+的吸附能力。Tang等研究了小麥秸稈生物炭-石墨烯復(fù)合材料對水中Hg2+的吸附效果，發(fā)現(xiàn)生物炭-石墨烯復(fù)合材料對水中Hg2+的最大吸附量為16.3 mg/g，明顯高于生物炭對Hgz+的吸附量（10.9 mg/g）。主要是因為生物炭-石墨烯復(fù)合材料具有更大的比表面積和孔徑，更多的表面官能團，進(jìn)而增強了對Hg2+的絡(luò)合能力。Devi等研究了生物炭-鎳零價鐵磁性復(fù)合材料對水中五氯酚（PCP）的吸附效果，發(fā)現(xiàn)生物炭-零價鐵磁性復(fù)合材料對PCP五氯酚的去除率為97.5%，高于生物炭對PCP五氯酚的去除率（65%）。主要是因生物炭-鎳零價鐵磁性復(fù)合材料具有更大的比表面積和孔徑，可以提供更多的吸附位點，均有利于復(fù)合材料對PCP五氯酚的吸附。Yang等研究了生物炭-納米復(fù)合材料對水中亞甲基藍(lán)的吸附效果，發(fā)現(xiàn)生物炭-納米復(fù)合材料對水中亞甲基藍(lán)的最大吸附量為5.5 mg/g高于生物炭對亞甲基藍(lán)的吸附量（2.2 mg/g）。復(fù)合材料具有更大的比表面積和更多的孔隙度，吸附的主要作用力是靜電吸引作用和π-π鍵作用力。Zhou等研究了生物炭-殼聚糖復(fù)合材料對水中Pb2+的吸附效果，發(fā)現(xiàn)生物炭-殼聚糖復(fù)合材料對水中Pb2+的最大吸附量（14.3 mg/g）高于生物炭對Pb2+的吸附量。主要是生物炭-殼聚糖復(fù)合材料表面增多了氨基等活性官能團，正是氨基等活性官能團通過螯合作用對Pb2+進(jìn)行反應(yīng)，提高了吸附能力。