生物炭复合材料对水中污染物吸附的应用进展

王小梅

[摘要]生物炭具有多孔结构、巨大的比表面积和丰富的含氧官能团，如羧基、酚羟基、酸酐等。生物炭具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积，这些特点使生物炭具有较好的吸附性能并成为优质的吸附材料，将生物炭应用于实际环境中，旨在强烈吸附污染物消减环境污染。已有大量的研究表明，一些农业废弃物如袖子皮、芦苇、小麦秸秆、等制备成生物炭用于环境污染物的吸附研究。所以，生物炭是一种环保、经济、易得的新型吸附材料。

[关键词]生物炭复合材料 吸附行为 应用

1环境中的生物炭

生物炭，是由农业废弃物和生活垃圾等在缺氧或无氧条件下经过高温热解制备得到的一类具有芳香化的固态混合物。近年来，农业废弃物的回收和重复利用，已经越来越受到人们的广泛关注。农业废弃物如果不能得到妥善的处理，必然会污染环境，实现农业废弃物的资源化利用具有十分重要的意义。以农业废弃物制备得到的生物炭，自身相对安全，有毒物质及重金属含量较少。所以将这种生物炭用于实际环境中，可避免生物炭自身对环境带来的二次污染。生物炭具有多孔结构、巨大的比表面积和丰富的含氧官能团，如羧基、酚羟基、酸酐等。生物炭具有发达的孔隙结构，巨大的比表面积，这些特点使生物炭具有较好的吸附性能并成为优质的吸附材料，将生物炭应用于实际环境中，旨在强烈吸附污染物消减环境污染。已有大量的研究表明，一些农业废弃物如柚子皮、芦苇、小麦秸秆、等制备成生物炭用于环境污染物的吸附研究。所以，生物炭是一种环保、经济、易得的新型吸附材料。

2生物炭复合材料的吸附行为

2.1生物炭复合材料的制备

复合材料是利用一定的方法将两种或两种以上不同性质的材料组合成一种具有新特性和新结构的一种材料。复合材料中的各种材料相互吸取优点达到协同效应。近年来，生物炭具有优良的吸附特性在环境中广泛地应用，受到越来越多国内外学者的高度重视，然而一方面，生物炭部分表面官能团会随着制备温度的升高而损失，另一方面吸附污染物后很难从环境中分离，而且也不能重复利用等缺点。所以为了生物炭在今后的使用过程中能够发挥最大的吸附能力，已有国内外学者做了大量的研究，表明通过一些物理或化学的方法将生物炭与其他材料复合，可以弥补单独使用生物炭时的不足，同时也可以吸收其他材料的优点进而加强生物炭的吸附能力。如今常见的生物炭复合材料主要有生物炭-无机物复合材料、生物炭-纳米复合材料、生物炭-磁性复合材料、利用酸、碱等改性生物炭材料。将一些吸附性能较好的无机材料与生物炭复合，使得生物炭表面官能团、电荷数量等发生变化，增强了与污染物的作用能力。

纳米材料和生物炭相结合制备复合材料，可以显著提高生物炭表面的化学含氧官能团，增加吸附位点，进而提高对污染物的结合能力。Zhang等将棉花秸秆生物炭与AICl3-6H2O溶液混合2h后在80℃下烘干，600℃无氧下裂解th，得到生物炭一纳米氧化铝复合材料。生物炭-纳米氧化铝复合材料对亚甲基蓝的最大吸附量是生物炭的10倍，主要是由于生物炭一纳米氧化铝复合材料中增加了炭纳米独特的结构，增加了活性吸附位点，提高吸附能力。

其他生物炭复合材料：一般而言，对生物炭进行改性处理，都会提高生物炭对污染物的吸附能力。通过改性，可以增加生物炭的表面吸附位点，特别是增加了表面官能团的数量和种类。

2.2生物炭复合材料对水中污染物吸附

综上所述，生物炭复合材料对环境污染物有较好的去除能力。近年来，生物炭复合材料一直是环境领域研究的热点，特别是越来越多的学者，将生物炭复合材料用于对水中污染物的吸附，包括无机污染物和有机污染物。

Ling等研究了玉米秸秆生物炭一锰氧化物復合材料对水中Cu2+的吸附效果，发现生物炭一锰氧化物复合材料对Cu2+的最大吸附量为160 mg/g是未改性生物炭的8倍。这是由于锰氧化物改性后，一方面生物炭表面的含氧官能团显著增加，而且生物炭与锰氧化物形成了配合物，另一方面是阳离子交换和阳离子-π键作用，共同提高了生物炭-锰氧化物复合材料对Cu2+的吸附能力。Tang等研究了小麦秸秆生物炭-石墨烯复合材料对水中Hg2+的吸附效果，发现生物炭-石墨烯复合材料对水中Hg2+的最大吸附量为16.3 mg/g，明显高于生物炭对Hgz+的吸附量（10.9 mg/g）。主要是因为生物炭-石墨烯复合材料具有更大的比表面积和孔径，更多的表面官能团，进而增强了对Hg2+的络合能力。Devi等研究了生物炭-镍零价铁磁性复合材料对水中五氯酚（PCP）的吸附效果，发现生物炭-零价铁磁性复合材料对PCP五氯酚的去除率为97.5%，高于生物炭对PCP五氯酚的去除率（65%）。主要是因生物炭-镍零价铁磁性复合材料具有更大的比表面积和孔径，可以提供更多的吸附位点，均有利于复合材料对PCP五氯酚的吸附。Yang等研究了生物炭-纳米复合材料对水中亚甲基蓝的吸附效果，发现生物炭-纳米复合材料对水中亚甲基蓝的最大吸附量为5.5 mg/g高于生物炭对亚甲基蓝的吸附量（2.2 mg/g）。复合材料具有更大的比表面积和更多的孔隙度，吸附的主要作用力是静电吸引作用和π-π键作用力。Zhou等研究了生物炭-壳聚糖复合材料对水中Pb2+的吸附效果，发现生物炭-壳聚糖复合材料对水中Pb2+的最大吸附量（14.3 mg/g）高于生物炭对Pb2+的吸附量。主要是生物炭-壳聚糖复合材料表面增多了氨基等活性官能团，正是氨基等活性官能团通过螯合作用对Pb2+进行反应，提高了吸附能力。