生物炭作为吸附剂在水处理中的应用现状

2018-02-14吴来荣刘永德

现代食品 2018年10期

◎ 吴来荣，刘永德

（河南工业大学化学化工与环境学院，河南郑州 450001）

生物质废弃物的不当处理不仅是资源的浪费，还可能污染环境。将废弃生物质转化为生物炭应用于污水处理，不仅可以实现生物质的合理处置以及资源化，还可达到“以废治废”的目的[1]。不同来源的生物炭在水处理中的应用对象也不一样，因此，总结不同原材料制备的生物炭的性质差异及其对不同污染物的去除效果，有利于根据研究目的的不同，选择合适的生物炭。

1 生物炭的定义及特性

1.1 生物炭的定义

生物炭是指在低氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秸秆或动物粪便等进行碳化，是以固定碳元素为目的的炭。目前，生物炭的制备多采用高温分解法，在400～600 ℃的高温下将生物质置于缺氧状态下，对其有控制地进行高温慢速裂解[2]。裂解产物除了生物炭外，还包括焦油、裂解气和木醋液等副产品[3]。

1.2 生物炭的特性

生物炭无论在低温或高温下都有很好的稳定性，因为生物炭几乎全部由碳元素组成，而且碳原子彼此间具有极强的亲合力[2]。生物炭表面有很多孔洞，其比表面积很大，孔隙大的可以达到750～1360 m2/g，孔隙小的也能达到51～138 m2/g，生物炭的密度也很小，一般为1.5～1.7 g/cm3，容重为0.3～0.7 g/cm3，由于这些特性，生物炭可作为吸附剂在水处理中加以应用[4-5]。

2 生物炭在水处理中的应用现状

2.1 生物炭去除水中重金属的研究

计海洋等[6]以蚕丝被废弃物为原料，在300、500、700 ℃高温缺氧条件下热解炭化制备成3种生物炭（BC300、BC500和BC700），并研究了不同温度下制备的生物炭对溶液中Cd2+的吸附特性。结果表明：随着炭化温度上升，BET比表面积、pH、灰分均增大，生物炭表面形态结构越来越不规则。Langmuir方程能更好地拟合3种生物炭对Cd2+的吸附等温过程，其最大吸附量分别为25.61、52.41、91.07 mg/g。3种生物炭对Cd2+吸附过程均更符合准二级动力学方程，且BC700对Cd2+的吸附效果最佳。

2.2 生物炭去除水中硝酸盐的研究

王荣荣等[7]以花生壳为原料，300℃热解条件下制得生物炭。通过批量平衡吸附试验，探索硝态氮（NO3--N）在生物炭表面的吸附机制。结果表明，生物炭对NO3--N的吸附显著受溶液pH值影响，当pH<6时有利于吸附的进行。随溶液初始NO3--N浓度增加，生物炭对其吸附量逐渐增加，在初始浓度800 mg/L的吸附体系中，最大吸附量达40 mg/g，Freundlich方程可较好地拟合（R2=0.975）生物炭对NO3--N等温吸附过程。

张文[8]等以两种水生植物香蒲和芦苇制备的生物炭为吸附剂，硝酸钾溶液为吸附质，研究生物炭对水体硝态氮的去除效果。结果表明，两种生物炭对硝态氮的吸附均符合伪二级吸附动力学方程。香蒲生物炭和芦苇生物炭的最大吸附量分别为15.55和10.63 mg/g。

2.3 生物炭去除水中有机染料的研究

季雪琴等[9]研究了裂解温度分别为500 ℃和700 ℃的两种水稻秸秆生物炭（分别标记为W500、W700）对有机染料日落黄和亚甲基蓝的吸附作用及吸附机制。结果显示，生物炭对两种染料的吸附均符合准二级动力学方程，等温吸附曲线均可用Freundlich模型较好地描述，但其对两种染料的吸附机制显著不同。

尹丽等[10]在600 ℃缺氧条件下，热解制得牛粪源生物炭（CBC），采用SEM、FTIR和XRD等分析手段对生物炭理化性质进行表征，并通过静态平衡吸附法研究了CBC对甲基紫的吸附动力学及热力学过程。结果表明，甲基紫的吸附量随着其初始浓度的增加而增大，初始浓度由10 mg/L增加到40 mg/L，平衡吸附量由5 mg/g提高到30 mg/g，吸附过程先快后慢，60 min后吸附达到平衡。

2.4 生物炭去除水中抗生素的研究

赵涛[11]等利用皇竹草制备成生物炭，同时探讨其对水中磺胺类抗生素的吸附特性。结果表明，在25 ℃、pH 5、皇竹草炭用量分别为8 g/L和5 g/L、磺胺类抗生素的质量浓度为10 mg/L条件下吸附4 h，磺胺嘧啶（SDZ）和磺胺氯哒嗪（SCP）的去除率分别能达到93.6%和92.7%。皇竹草炭对磺胺类抗生素的吸附动力学符合拟二级动力学方程，吸附等温线符合Freundlich方程。

王开峰等[12]研究了3种热解温度，分别为300 ℃（S300）、450 ℃（S450）和600 ℃（S600）的水稻秸秆生物炭对两种磺胺类抗生素的吸附性能及机制，同时考察了溶液pH值及离子强度对吸附的影响。结果表明，生物炭对磺胺二甲基嘧啶（SM2）和磺胺甲恶唑（SMX）的吸附均符合准二级动力学方程；等温吸附曲线用Langmuir方程拟合优于Freundlich方程，600 ℃热解的秸秆炭对SM2和SMX的最大吸附量分别可达到2857.1 mg/kg和1724.1 mg/kg。