磁性吸附劑合成方法的研究現狀

李圣宇

磁性吸附劑合成方法的研究現狀

李圣宇

（溫州大學，浙江 溫州 325035）

水污染及其修復已成為全球性的不斷升級的問題，特別是湖泊和河流中存在的重金屬污染問題。如何去除其中的重金屬也引發了很多的討論。與活性炭、低成本工業廢料、聚合物、礦物和金屬納米顆粒相比，金屬誘導的生物吸附劑可能是更有希望的選擇。磁性生物吸附劑可以促進比表面積、孔徑和表面功能的發展，從而提高吸附能力并促進生物吸附劑的回收。本文介紹了磁性生物吸附劑的不同合成方法，比較了它們的優缺點。

磁性生物吸附劑；合成方法；重金屬

水污染及其修復已經成為一個全球性的不斷升級的問題，特別是湖泊和河流中存在的重金屬污染問題。目前，在世界各地都觀察到重金屬（水）污染，特別是在中國、印度和孟加拉等國家，由于自然過程和人類活動[1]，許多地區的地表水中重金屬濃度超過了允許的限值。目前已經開發了各種用于處理廢水的策略，包括沉淀、離子交換、反滲透、電滲析、凝結、吸附。其中，吸附已被公認為是廢水處理中最有前途的技術[1]。不僅僅因為吸附技術易于操作，而且成本低且對環境友好。它可以吸附可溶和不可溶化合物在內的各種污染物，包括有機、無機和生物物質（微生物）吸附技術可用于清潔飲用水、廢水、工業用水和其他用途的水。然而，現實中缺乏合適的且具有吸附能力強、易分離和再生的吸附劑。生物磁性吸附劑主要由金屬或金屬氧化物納米顆粒和生物吸附劑兩方面組成。其中，生物吸附劑主要由活性炭、低成本工業廢料、聚合物等富含炭的材料熱解生物質形成[2]。金屬或金屬氧化物納米顆粒主要由礦物質、金屬納米顆粒組成。在去除痕量污染物方面，金屬納米顆粒顯示的效率很高。通常使用的金屬或金屬納米粒子包括鐵、銅、鋯、鈦、鋅、鈷、鎳以及金屬硝酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽及其氧化物形式存在的合金（例如磁鐵礦Fe3O4[3]。磁性生物吸附劑可促進比表面積、孔徑和表面功能的發展，從而提高吸附能力并促進生物吸附劑的回收[4]。本文介紹了磁性生物吸附劑的不同合成方法，比較了它們的優缺點。

1 用于廢水的磁性生物吸附劑的合成

1.1 生物質的預處理改性

磁性生物吸附劑的性能取決于其生物質、金屬納米顆粒、改性方法和工藝參數，包括溫度、熱解持續時間和生物吸附劑的大小。可以通過對生物質吸附劑進行預處理修飾改性。通過預處理（單步）改性制備的材料往往表現出更高的表面積、孔隙率。在預處理方法中，金屬摻雜的生物吸附劑在熱解后可以利用各種形式的Fe2+和Fe3+形成的金屬納米顆粒表現出氧化和還原的潛力，以達到吸附效果[5]。在熱解過程中, H2、CO和無定形碳等某些還原組分可在高溫下將FeO（OH）還原為Fe3O4以達到沉淀的效果。水解和熱解過程中鐵物種的轉化可以通過以下反應來解釋：

FeO（OH)+H2→Fe3O4+H2O

FeO（OH)+CO→Fe3O4+CO2

FeO（OH)+C→Fe3O4+CO

FeCl3+H2→FeCl2+HCl

1.2 生物炭的后處理改性

后處理（雙步）改性是一種常規方法，由于成本和效率問題，在改善表面積和吸附能力方面比單步法效率低。與單步修改方法相比，后處理修改需要更多的時間并且成本較高。但是，可以制備磁性納米顆粒和生物吸附劑的不同濃度比，這在預處理過程中很難實現。例如，將生物質廢料磨碎并放置在爐內進行高溫加熱。然后，將經過熱改性的生物炭與硝酸鐵混合，使鐵在生物吸附劑中擴散[6]。可以使用質量比（AC∶Fe）為2∶1的，具有活性炭（AC）的亞鐵和氯化鐵混合溶液來合成磁性生物炭等[7]。

1.3 微波輔助磁性生物材料合成

借助微波技術是制備磁性生物吸附劑或生物炭的另一種新興且有效的方法。通過微波制備磁性生物吸附劑僅需5~10 min，這比傳統的馬弗爐輔助方法要低得多。另外，與其他現有的合成方法相比，該過程易于操作。微波輔助制備的磁性生物炭具有比傳統制備的生物吸附劑高1~10倍的吸附能力[8]和更高的表面積、孔體積。因此，微波輔助的修飾可能是常規熱解的有效替代方法。

1.4 水熱法合成磁性生物吸附劑

水熱碳化是一個熱化學過程，其中原料在100~350 ℃的溫度下與水混合。其中，水的使用有助于將氣體保持在水介質中并減少CO2排放，但是水熱碳化會導致表面積和孔隙率降低，所以通過水熱法生產生物炭比傳統的碳化方法少見。其中，使用氯化鐵和微藻的水熱反應作為原料，合成了載鐵生物炭[9]，然后與不同量的鐵混合后在電烤箱中反應，離心混合物來分離摻入鐵的生物炭。將獲得的涂覆有Fe的生物炭用蒸餾水和乙醇溶液洗滌以除去所有碎片物質，最后將其在烤箱中干燥。水熱合成的磁性生物吸附劑可用于處理有機和無機污染物。

1.5 工程磁性生物吸附劑的合成

工程磁性生物吸附劑構成了一種創新的處理廢水的方法，可以通過生物富集直接從富含某些類型金屬的植物組織中制備。目標元素在植物中放大保存，可以進一步用于生產工程生物炭。鐵或其他納米粒子可在植物中積累，無需任何進一步處理或修飾即可直接用于生產磁性生物吸附劑。據報道，溫室中番茄植物中錳的生物蓄積增加，從而改善了最終產品的理化性質和吸附能力。鐵納米顆粒被瘺絲（威爾士洋蔥）生物富集（1％），從而增強了有機磷殺蟲劑的吸附能力[10]。

2 磁性生物吸附劑合成方法的比較

在氮存在下，將生物質原料與金屬納米顆粒混合進行熱解改性。熱解后的修飾首先從生物質中產生生物炭，然后用金屬納米粒子浸漬還原。常規的加熱爐加熱和微波輔助熱解可用于制備磁性生物吸附劑。但是高質量的合成磁性生物吸附劑是通過微波制備的。由于可以操縱氣體流量和溫度，因此傳統方法對于特定的污染物清除功能而言，效率更高，靈活性更高。由于在吸附劑表面產生了多種功能團，單步改性方法是常用的常規策略。再者，與后處理方法相比，它有助于形成更多種官能團。微波輔助的生物吸附劑和礦物負載的磁性生物吸附劑也可以被認為是一種一步改性方法。水熱碳化是在水條件下以100~350 ℃的加熱溫度進行的熱化學加熱過程。水熱碳化產生的溫室氣體排放量低，但表面積和孔隙率低，這限制了其應用。與常規的碳化方法相比，通過水熱法生產生物炭的情況相對較少。顯然，工程磁性生物炭似乎是一種有效的、綠色的、可持續的合成方法，用于制備所需的吸附劑，該吸附劑應通過未來的研究活動進行評估。

3 結束語

磁性生物吸附劑在其性質和效率方面已顯示出越來越大的潛力，可以去除廢水中的有機和無機污染物。這篇綜述總結了磁性生物吸附劑的最新合成方法。磁性生物吸附劑可以通過單步（預處理）、雙步（后處理）、水熱、微波輔助和綠色合成方法進行合成。其中，熱解工藝比微波輔助的生物吸附劑能更好地開發各種功能，氧化還原過程形成了各種官能團。而預處理（單步）修飾方法被認為是一種更簡單高效的方法。水熱改性生物吸附劑可以減少生物吸附劑合成過程中的溫室氣體排放，但產生的表面積和孔隙率低，這限制了它們的應用。近年來，工程磁性生物吸附劑由于具有自我可持續性，因此不需要人工浸漬金屬納米顆粒，引起了研究關注。

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Research Status of Magnetic Adsorbent Synthesis Methods

（Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325000, China）

Water pollution and its remediation have become a global problem, especially heavy metals pollution of lakes and rivers. How to remove heavy metals from them has also caused a lot of discussion. Compared with activated carbon, low-cost industrial waste, polymers, minerals and metal nanoparticles, metal-induced biosorbents may be a more promising option. Metal nanoparticles show high efficiency in removing trace contaminants. Magnetic biosorbent can promote the specific surface area, pore size and surface function, thereby improving the adsorption capacity and promoting the recovery of biosorbent. In this paper, the different synthesis methods of magnetic biosorbents were introduced, and their advantages and disadvantages were compared.

Magnetic bioadsorbents; synthesis methods; heavy metals

2020-01-15

李圣宇（1993-），男，碩士在讀，浙江省杭州市人，研究方向：生物材料的研究與開發。

何華成（1985-），男，講師，博士學位，研究方向：生物醫藥材料。

O647.31+4

A

1004-0935（2020）05-0539-03