◎ 吳來(lái)榮，劉永德

（河南工業(yè)大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001）

生物質(zhì)廢棄物的不當(dāng)處理不僅是資源的浪費(fèi)，還可能污染環(huán)境。將廢棄生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生物炭應(yīng)用于污水處理，不僅可以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的合理處置以及資源化，還可達(dá)到“以廢治廢”的目的[1]。不同來(lái)源的生物炭在水處理中的應(yīng)用對(duì)象也不一樣，因此，總結(jié)不同原材料制備的生物炭的性質(zhì)差異及其對(duì)不同污染物的去除效果，有利于根據(jù)研究目的的不同，選擇合適的生物炭。

1 生物炭的定義及特性

1.1 生物炭的定義

生物炭是指在低氧環(huán)境下，通過(guò)高溫裂解將木材、草、玉米秸稈或動(dòng)物糞便等進(jìn)行碳化，是以固定碳元素為目的的炭。目前，生物炭的制備多采用高溫分解法，在400～600 ℃的高溫下將生物質(zhì)置于缺氧狀態(tài)下，對(duì)其有控制地進(jìn)行高溫慢速裂解[2]。裂解產(chǎn)物除了生物炭外，還包括焦油、裂解氣和木醋液等副產(chǎn)品[3]。

1.2 生物炭的特性

生物炭無(wú)論在低溫或高溫下都有很好的穩(wěn)定性，因?yàn)樯锾繋缀跞坑商荚亟M成，而且碳原子彼此間具有極強(qiáng)的親合力[2]。生物炭表面有很多孔洞，其比表面積很大，孔隙大的可以達(dá)到750～1360 m2/g，孔隙小的也能達(dá)到51～138 m2/g，生物炭的密度也很小，一般為1.5～1.7 g/cm3，容重為0.3～0.7 g/cm3，由于這些特性，生物炭可作為吸附劑在水處理中加以應(yīng)用[4-5]。

2 生物炭在水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 生物炭去除水中重金屬的研究

計(jì)海洋等[6]以蠶絲被廢棄物為原料，在300、500、700 ℃高溫缺氧條件下熱解炭化制備成3種生物炭（BC300、BC500和BC700），并研究了不同溫度下制備的生物炭對(duì)溶液中Cd2+的吸附特性。結(jié)果表明：隨著炭化溫度上升，BET比表面積、pH、灰分均增大，生物炭表面形態(tài)結(jié)構(gòu)越來(lái)越不規(guī)則。Langmuir方程能更好地?cái)M合3種生物炭對(duì)Cd2+的吸附等溫過(guò)程，其最大吸附量分別為25.61、52.41、91.07 mg/g。3種生物炭對(duì)Cd2+吸附過(guò)程均更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，且BC700對(duì)Cd2+的吸附效果最佳。

2.2 生物炭去除水中硝酸鹽的研究

王榮榮等[7]以花生殼為原料，300℃熱解條件下制得生物炭。通過(guò)批量平衡吸附試驗(yàn)，探索硝態(tài)氮（NO3--N）在生物炭表面的吸附機(jī)制。結(jié)果表明，生物炭對(duì)NO3--N的吸附顯著受溶液pH值影響，當(dāng)pH<6時(shí)有利于吸附的進(jìn)行。隨溶液初始NO3--N濃度增加，生物炭對(duì)其吸附量逐漸增加，在初始濃度800 mg/L的吸附體系中，最大吸附量達(dá)40 mg/g，F(xiàn)reundlich方程可較好地?cái)M合（R2=0.975）生物炭對(duì)NO3--N等溫吸附過(guò)程。

張文[8]等以兩種水生植物香蒲和蘆葦制備的生物炭為吸附劑，硝酸鉀溶液為吸附質(zhì)，研究生物炭對(duì)水體硝態(tài)氮的去除效果。結(jié)果表明，兩種生物炭對(duì)硝態(tài)氮的吸附均符合偽二級(jí)吸附動(dòng)力學(xué)方程。香蒲生物炭和蘆葦生物炭的最大吸附量分別為15.55和10.63 mg/g。

2.3 生物炭去除水中有機(jī)染料的研究

季雪琴等[9]研究了裂解溫度分別為500 ℃和700 ℃的兩種水稻秸稈生物炭（分別標(biāo)記為W500、W700）對(duì)有機(jī)染料日落黃和亞甲基藍(lán)的吸附作用及吸附機(jī)制。結(jié)果顯示，生物炭對(duì)兩種染料的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，等溫吸附曲線均可用Freundlich模型較好地描述，但其對(duì)兩種染料的吸附機(jī)制顯著不同。

尹麗等[10]在600 ℃缺氧條件下，熱解制得牛糞源生物炭（CBC），采用SEM、FTIR和XRD等分析手段對(duì)生物炭理化性質(zhì)進(jìn)行表征，并通過(guò)靜態(tài)平衡吸附法研究了CBC對(duì)甲基紫的吸附動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)過(guò)程。結(jié)果表明，甲基紫的吸附量隨著其初始濃度的增加而增大，初始濃度由10 mg/L增加到40 mg/L，平衡吸附量由5 mg/g提高到30 mg/g，吸附過(guò)程先快后慢，60 min后吸附達(dá)到平衡。

2.4 生物炭去除水中抗生素的研究

趙濤[11]等利用皇竹草制備成生物炭，同時(shí)探討其對(duì)水中磺胺類(lèi)抗生素的吸附特性。結(jié)果表明，在25 ℃、pH 5、皇竹草炭用量分別為8 g/L和5 g/L、磺胺類(lèi)抗生素的質(zhì)量濃度為10 mg/L條件下吸附4 h，磺胺嘧啶（SDZ）和磺胺氯噠嗪（SCP）的去除率分別能達(dá)到93.6%和92.7%?；手癫萏繉?duì)磺胺類(lèi)抗生素的吸附動(dòng)力學(xué)符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，吸附等溫線符合Freundlich方程。

王開(kāi)峰等[12]研究了3種熱解溫度，分別為300 ℃（S300）、450 ℃（S450）和600 ℃（S600）的水稻秸稈生物炭對(duì)兩種磺胺類(lèi)抗生素的吸附性能及機(jī)制，同時(shí)考察了溶液pH值及離子強(qiáng)度對(duì)吸附的影響。結(jié)果表明，生物炭對(duì)磺胺二甲基嘧啶（SM2）和磺胺甲惡唑（SMX）的吸附均符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程；等溫吸附曲線用Langmuir方程擬合優(yōu)于Freundlich方程，600 ℃熱解的秸稈炭對(duì)SM2和SMX的最大吸附量分別可達(dá)到2857.1 mg/kg和1724.1 mg/kg。

3 生物炭作為吸附劑在水處理中的前景展望

不同來(lái)源的生物炭對(duì)不同的污染物有不同的吸附效果及機(jī)理。目前的研究熱點(diǎn)主要集中于對(duì)重金屬、無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)染料和抗生素的去除，而且均有較好的去除效果。因此，根據(jù)研究目的來(lái)選擇合適的生物炭用于污水處理極具應(yīng)用前景。