磁性生物质炭的制备方法研究进展

2019-02-17李钰婷黄圣淇汪月晗王震华胡志新

山东化工 2019年16期

李钰婷，金磊，黄圣淇，汪月晗，王震华，胡志新

(南京工程学院环境工程学院，江苏南京 211167)

1 磁性生物质炭

生物质炭一般指农林废弃物、水生植物、城市固废、动物粪便等生物质在缺氧或无氧条件下经高温(<700℃)热解获得的固体物质[1]。生物质炭孔隙结构致密、比表面积大、耐酸碱、表面官能团丰富并且吸附能力强、化学性质稳定；同时具备生产工艺简单、价格低廉、易于再生的优点[2]，使得生物质炭在污染控制和生态修复等领域得到广泛应用。但是生物质炭直径较小，处理废水后难以从水中分离出来，这使得生物质炭在实际应用时受到限制。目前，对处理废水后的生物质炭多采用过滤或离心的方法进行分离，但耗时较长，操作相对复杂[3]；而利用特定方法给生物质炭赋磁，在处理完受污染水体后，利用外加磁场将炭从水体中分离，比离心和过滤等方法更加快速有效[4-5]。

2 磁性生物质炭的制备方法

2.1 浸渍热解法

将生物质炭与含Fe2+/Fe3+的改性剂混合搅拌均匀，过滤干燥后，放入无氧环境中高温裂解，磁性颗粒Fe3O4在热解过程中通过氧化还原反应生成并负载至生物质炭表面，再次洗涤干燥后得到磁性生物质炭。浸渍热解法一般分为传统热解法和微波热解法。其优点是赋磁与热解一步完成，步骤少，工艺简单，同时磁性颗粒与生物质炭基体的结合较为稳定[6]。

2.1.1 传统热解法

蒋旭涛等[7]用小麦秸秆为原料制备生物质炭，然后将制备好的生物质炭浸泡于1 mol·L-1的FeCl3溶液中(铁碳质量比为0.56∶1)，混合均匀后烘干，置于马弗炉中400 ℃煅烧2 h，最后再洗净烘干得到磁性生物质炭。实验研究结果表明，铁改性后的磁性生物质炭极性增大，对表面官能团结构影响明显，有利于对磷的吸附[7]。

2.1.2 微波热解法

微波是电磁波，微波加热与传统的加热方法不同，是物料中的极性分子与电磁场互相作用的结果。汪南方等[8]在生物质炭浸渍于改性剂中时，用微波辐照，使生物质炭表面的官能团与改性剂、低浓度的氧气发生化学反应，使生物质炭孔结构得到调整，孔表面的官能团结构也发生变化。但该方法改性不确定因素很多，改性剂的浓度，辐照的功率和时间等对磁性生物质炭性能影响较大。

2.2 液相沉淀法

在氮气保护下将生物质炭与Fe3+/Fe2+溶液混合均匀，然后在碱性条件(pH值=10～11)下静置反应，最后抽滤洗涤烘干得到负载了Fe3O4的生物质炭。万霞等[9]对盛有超纯水的四口烧瓶通氮气1 h，然后加入FeSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、生物质炭和氨水，搅拌反应30 min后密封静置1 h，然后烘干得到磁性生物质炭。赋磁后的生物质炭比表面积明显增大，吸附效果增强。席志楠等[10]在研究磁性生物质炭对水体中有机物芘的去除效果时，也采用液相沉淀法制备磁性生物质炭，并取得较好的吸附效果。液相沉淀法制备磁性生物质炭快速高效，但是需要有惰性气体的保护，工序复杂，成本较高，且Fe3+和Fe2+的比例不同，对磁性生物质炭的磁性强度也会有影响。

2.3 液相还原法

零价铁具有良好的电化学、配位化学和氧化还原特性，可以快速还原水体中有机物、重金属等。Wang和Zhang[11]采用液相化学还原法合成出纳米零价铁，并将其用于有机氯降解，开创了纳米零价铁在环境污染治理领域应用的先例。韦学玉等[12]利用黄豆壳为原料，制备生物质炭，然后在生物质炭表面负载零价铁制备磁性生物质炭，吸附动力学分析表明其对三氯

酚去除效果比未负载零价铁的生物质炭更好。这种方法原理简单，但是操作复杂，推广难度较大。

2.4 水热合成法

水热法是指在密闭反应器里，以水作为溶剂，物料经溶解和再结晶的制备方法。用水热法制备纳米Fe3O4，然后再与生物质炭粉末合成，得到磁性生物质炭。这种制备磁性生物质炭的方法需要的环境温度较低，一般在100～250℃，耗能较小，反应设备简单，密闭反应，压强较高，避免组分的挥发，提高了产物的纯度[13]。马天文等[14]用水热法制成生物质炭层包覆纳米Fe3O4微球的磁性生物质炭，并用于吸附PFOS。