肖雪菁

摘 要：生物炭因其良好的表面特性和孔隙結(jié)構(gòu)，廣泛的原料來源和廣闊的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景，已成為當(dāng)今環(huán)境、農(nóng)業(yè)和能源等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本研究通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研，系統(tǒng)地綜述了生物炭的制備原料及方法，闡述了各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)并綜合分析了國內(nèi)外生物炭吸附六價(jià)鉻機(jī)理的研究成果，以期望為開展生物炭吸附六價(jià)鉻離子的研究提供思路與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：生物炭;六價(jià)鉻;原料及方法;機(jī)理進(jìn)展

1 引言

近10多年來，隨著中國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，排放重金屬的行業(yè)逐漸增多，重金屬污染問題也變得日益嚴(yán)重，不容忽視。作為水環(huán)境中危害較大的重金屬污染物之一，Cr（VI）污染具有持久性特點(diǎn)，可以通過食物鏈進(jìn)入人體或其他生物體內(nèi)，短期或長期接觸有致癌危險(xiǎn)。因此，如何有效地治理含Cr（VI）廢水污染是當(dāng)今環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中的一個(gè)突出問題。含鉻廢水的治理方法很多，國內(nèi)外目前普遍采用的處理方法主要包括膜分離法、電滲析法、化學(xué)還原法等[1]。但這些處理方法都存在一定的局限性，如成本高，能耗高，易于產(chǎn)生二次污染等。而吸附法因?yàn)樵蟻碓磸V泛、適合低離子濃度廢水、吸附量大、成本低、選擇性好、能回收重金屬等優(yōu)勢而受到廣泛的關(guān)注。

吸附劑是決定吸附效果和成本的關(guān)鍵因素。因此，研制價(jià)格低廉、效率高的吸附劑是當(dāng)前水體Cr（VI）污染物吸附處理問題的研究熱點(diǎn)。近年來，生物炭因具有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)和豐富的極性官能團(tuán)，例如羧基，酚羥基和氨基等，而作為潛在的新型重金屬生物吸附材料[2]。與常用的活性炭吸附劑相比，生物炭無需活化處理，成本低。原材料主要來自農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，廢料和高碳含量的殘留物，有利于消除廢物焚化和腐爛對環(huán)境造成的破壞，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。因此，生物炭作為一種新型的環(huán)境功能材料，以其優(yōu)良的生態(tài)效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)成為環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2 生物炭

2.1 生物炭的制備原料

生物炭原料來源廣泛。目前已有學(xué)者采用農(nóng)業(yè)廢棄物和工業(yè)有機(jī)廢棄物[3]等制備生物炭，均表現(xiàn)出良好的吸附性能。不同材料制備的生物炭的差異主要體現(xiàn)在生物炭的元素組成、比表面積、孔容孔徑、灰分含量、羧酸酯化、芳香化等方面。但以生物入侵種為原料制備生物炭的方法還鮮有報(bào)道。生物入侵植物因具有極強(qiáng)的生存繁殖能力得以在其適宜的自然環(huán)境大肆生長。它們大多桿莖中含有大量的纖維素、半纖維素、木素、有機(jī)質(zhì)等成分，是制造生物炭的良好材料。且作為生物炭原材料時(shí)可以降低其對環(huán)境副作用，實(shí)現(xiàn)其資源化利用。故將生物入侵植物作為生物炭的制備原料有望成為解決生物入侵種的新途徑。

2.2 生物炭的制備工藝

通常，生物炭的制備方法可分為：慢速熱解、快速熱解、氣化熱解、水熱炭化以及閃蒸炭化法[4]。熱解法是指原料在厭氧或缺氧條件下發(fā)生熱分解轉(zhuǎn)化的過程，該過程溫度高達(dá)700 ℃、存在煙氣污染問題且不利于表面含氧官能團(tuán)的保留;而氣化法是在高溫高壓條件下生物質(zhì)被部分氧化燃燒發(fā)生氣化的過程，該方法容易形成氣溶膠堵塞反應(yīng)器并且產(chǎn)生的煙灰污染環(huán)境;閃蒸炭化法在高壓條件下進(jìn)行，存在設(shè)備破裂、爆炸等安全隱患。而水熱炭化法作為一種熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)，反應(yīng)條件相對比較溫和，該法將生物質(zhì)懸浮在相對較低溫度密閉容器中反應(yīng)，從而制備得到炭--水--漿混合物。水熱炭化法獲得的生物炭具有較高的碳回收率，同時(shí)灰分與pH較低，比熱解法制得的生物炭具有更多的活性位點(diǎn)及內(nèi)酯、羧基和酚類成分，結(jié)構(gòu)中的未成鍵電子利于與金屬離子的空軌道配位，可以更好地捕獲重金屬污染物[5]。由此可知，生物炭是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的重金屬吸附材料，可在Cr（VI）處理過程中發(fā)揮重要作用。生物炭的制備原料、制備工藝及其條件的選擇都對生物炭特性具有顯著影響，是決定生物炭吸附性能的關(guān)鍵。采用生物入侵種作為原材料不僅在生物炭性能上有所優(yōu)勢，也為解決生物入侵問題提供新的思路。水熱炭化法以條件溫和、相對較安全、無二次污染以及有利于保留表面含氧官能團(tuán)的優(yōu)勢，成為制備生物炭的理想方法。

3 生物炭吸附六價(jià)鉻機(jī)理研究方法及進(jìn)展

由于生物質(zhì)原料的特性差異很大，碳化過程和轉(zhuǎn)化過程復(fù)雜，生物炭特性多變，可控性較弱。同時(shí)，生物炭的特性，不同的吸附條件和目標(biāo)重金屬種類均顯著影響其吸附行為和效果?？梢钥闯?，有許多因素影響生物炭對水中重金屬的吸附，并且存在復(fù)雜的吸附機(jī)理。不同類型和來源的生物質(zhì)的組織形式是多種多樣的，使得生物炭的微觀形貌和結(jié)構(gòu)特征具有復(fù)雜性，利用表征技術(shù)和分析方法對生物炭表面理化性質(zhì)進(jìn)一步開展研究，具有十分重要的意義。目前研究常采用的方法包括：掃描電子顯微鏡、氮?dú)馕矫摳?、X射線衍射分析、透射電子顯微鏡、X射線光電子能譜、傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜、核磁共振技術(shù)等，可以分析生物炭表面形貌、比表面積及孔結(jié)構(gòu)特性、晶型結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和價(jià)態(tài)、表面官能團(tuán)等，這為深入研究和揭示生物炭吸附重金屬機(jī)理提供有力技術(shù)支撐。

目前，有研究者針對生物炭吸附Cr（VI）的微觀機(jī)理進(jìn)行了部分研究。Xu[6]通過X波段掃描、傅里葉紅外光譜、X射線衍射等技術(shù)發(fā)現(xiàn)生物炭表面的含氧官能團(tuán)在吸附還原Cr（VI）的過程中充當(dāng)給電子體的角色。Pan等[7]利用紅外光譜分析生物炭吸附Cr（VI）前后的生物炭表面官能團(tuán)，發(fā)現(xiàn)吸附前后出現(xiàn)了不同程度的官能團(tuán)位點(diǎn)的遷移，說明這些含氧官能團(tuán)均參與了生物炭對Cr（VI）的吸附過程。張明明[8]對生物炭吸附Cr（VI）前后做了X射線光電子能譜分析，發(fā)現(xiàn)吸附六價(jià)鉻離子后生物炭表面的含碳官能團(tuán)產(chǎn)生了較大的變化，這一現(xiàn)象說明含碳官能團(tuán)是復(fù)合材料吸附六價(jià)鉻離子的主要機(jī)理。雖然，目前對生物炭重金屬機(jī)理研究取得了一定的成果，但是仍處在探索階段，沒有形成系統(tǒng)理論，仍有待于進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張滕，王勇梅，彭昌盛，等.染料廢水的處理方法及研究進(jìn)展[J].環(huán)?？萍?，2016，22（01）：36-40.

[2]徐琰.檸檬酸改性生物炭表征特性及其對亞甲基藍(lán)吸附性能研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2017.

[3]蒲生彥，賀玲玲，劉世賓.生物炭復(fù)合材料在廢水處理中的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].工業(yè)水處理，2019，39（09）：1-7.

[4]呂貝貝，張貴云，張麗萍，等.生物炭制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，23（05）：95-98.

[5]孫克靜，張海榮，唐景春.不同生物質(zhì)原料水熱生物炭特性的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)報(bào)，2014，33（11）：2260-2265.

[6]Xu X Y， Huang H， Zhang Y et al. Biochar as both electron donor and electron shuttle for the reduction transformation of Cr（VI） during its sorption [J]. Environmental Pollution，2019（244）：423-430.

[7]Pan J， Jiang J， Xu R. Adsorption of Cr （VI） from acidic solutions by crop straw derived biochars[J].Journal of Environmental Sciences，2013，25（10）：1957-1965.

[8]張明明.生物炭改性材料的制備及其對水體中六價(jià)鉻的吸附機(jī)理研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2016.