磁性吸附剂合成方法的研究现状

李圣宇

磁性吸附剂合成方法的研究现状

李圣宇

（温州大学，浙江 温州 325035）

水污染及其修复已成为全球性的不断升级的问题，特别是湖泊和河流中存在的重金属污染问题。如何去除其中的重金属也引发了很多的讨论。与活性炭、低成本工业废料、聚合物、矿物和金属纳米颗粒相比，金属诱导的生物吸附剂可能是更有希望的选择。磁性生物吸附剂可以促进比表面积、孔径和表面功能的发展，从而提高吸附能力并促进生物吸附剂的回收。本文介绍了磁性生物吸附剂的不同合成方法，比较了它们的优缺点。

磁性生物吸附剂；合成方法；重金属

水污染及其修复已经成为一个全球性的不断升级的问题，特别是湖泊和河流中存在的重金属污染问题。目前，在世界各地都观察到重金属（水）污染，特别是在中国、印度和孟加拉等国家，由于自然过程和人类活动[1]，许多地区的地表水中重金属浓度超过了允许的限值。目前已经开发了各种用于处理废水的策略，包括沉淀、离子交换、反渗透、电渗析、凝结、吸附。其中，吸附已被公认为是废水处理中最有前途的技术[1]。不仅仅因为吸附技术易于操作，而且成本低且对环境友好。它可以吸附可溶和不可溶化合物在内的各种污染物，包括有机、无机和生物物质（微生物）吸附技术可用于清洁饮用水、废水、工业用水和其他用途的水。然而，现实中缺乏合适的且具有吸附能力强、易分离和再生的吸附剂。生物磁性吸附剂主要由金属或金属氧化物纳米颗粒和生物吸附剂两方面组成。其中，生物吸附剂主要由活性炭、低成本工业废料、聚合物等富含炭的材料热解生物质形成[2]。金属或金属氧化物纳米颗粒主要由矿物质、金属纳米颗粒组成。在去除痕量污染物方面，金属纳米颗粒显示的效率很高。通常使用的金属或金属纳米粒子包括铁、铜、锆、钛、锌、钴、镍以及金属硝酸盐、碳酸盐、硫酸盐及其氧化物形式存在的合金（例如磁铁矿Fe3O4[3]。磁性生物吸附剂可促进比表面积、孔径和表面功能的发展，从而提高吸附能力并促进生物吸附剂的回收[4]。本文介绍了磁性生物吸附剂的不同合成方法，比较了它们的优缺点。

1 用于废水的磁性生物吸附剂的合成

1.1 生物质的预处理改性

磁性生物吸附剂的性能取决于其生物质、金属纳米颗粒、改性方法和工艺参数，包括温度、热解持续时间和生物吸附剂的大小。可以通过对生物质吸附剂进行预处理修饰改性。通过预处理（单步）改性制备的材料往往表现出更高的表面积、孔隙率。在预处理方法中，金属掺杂的生物吸附剂在热解后可以利用各种形式的Fe2+和Fe3+形成的金属纳米颗粒表现出氧化和还原的潜力，以达到吸附效果[5]。在热解过程中, H2、CO和无定形碳等某些还原组分可在高温下将FeO（OH）还原为Fe3O4以达到沉淀的效果。水解和热解过程中铁物种的转化可以通过以下反应来解释：

FeO（OH)+H2→Fe3O4+H2O

FeO（OH)+CO→Fe3O4+CO2

FeO（OH)+C→Fe3O4+CO

FeCl3+H2→FeCl2+HCl

1.2 生物炭的后处理改性

后处理（双步）改性是一种常规方法，由于成本和效率问题，在改善表面积和吸附能力方面比单步法效率低。与单步修改方法相比，后处理修改需要更多的时间并且成本较高。但是，可以制备磁性纳米颗粒和生物吸附剂的不同浓度比，这在预处理过程中很难实现。例如，将生物质废料磨碎并放置在炉内进行高温加热。然后，将经过热改性的生物炭与硝酸铁混合，使铁在生物吸附剂中扩散[6]。可以使用质量比（AC∶Fe）为2∶1的，具有活性炭（AC）的亚铁和氯化铁混合溶液来合成磁性生物炭等[7]。

1.3 微波辅助磁性生物材料合成

借助微波技术是制备磁性生物吸附剂或生物炭的另一种新兴且有效的方法。通过微波制备磁性生物吸附剂仅需5~10 min，这比传统的马弗炉辅助方法要低得多。另外，与其他现有的合成方法相比，该过程易于操作。微波辅助制备的磁性生物炭具有比传统制备的生物吸附剂高1~10倍的吸附能力[8]和更高的表面积、孔体积。因此，微波辅助的修饰可能是常规热解的有效替代方法。

1.4 水热法合成磁性生物吸附剂

水热碳化是一个热化学过程，其中原料在100~350 ℃的温度下与水混合。其中，水的使用有助于将气体保持在水介质中并减少CO2排放，但是水热碳化会导致表面积和孔隙率降低，所以通过水热法生产生物炭比传统的碳化方法少见。其中，使用氯化铁和微藻的水热反应作为原料，合成了载铁生物炭[9]，然后与不同量的铁混合后在电烤箱中反应，离心混合物来分离掺入铁的生物炭。将获得的涂覆有Fe的生物炭用蒸馏水和乙醇溶液洗涤以除去所有碎片物质，最后将其在烤箱中干燥。水热合成的磁性生物吸附剂可用于处理有机和无机污染物。

1.5 工程磁性生物吸附剂的合成

工程磁性生物吸附剂构成了一种创新的处理废水的方法，可以通过生物富集直接从富含某些类型金属的植物组织中制备。目标元素在植物中放大保存，可以进一步用于生产工程生物炭。铁或其他纳米粒子可在植物中积累，无需任何进一步处理或修饰即可直接用于生产磁性生物吸附剂。据报道，温室中番茄植物中锰的生物蓄积增加，从而改善了最终产品的理化性质和吸附能力。铁纳米颗粒被瘘丝（威尔士洋葱）生物富集（1％），从而增强了有机磷杀虫剂的吸附能力[10]。

2 磁性生物吸附剂合成方法的比较

在氮存在下，将生物质原料与金属纳米颗粒混合进行热解改性。热解后的修饰首先从生物质中产生生物炭，然后用金属纳米粒子浸渍还原。常规的加热炉加热和微波辅助热解可用于制备磁性生物吸附剂。但是高质量的合成磁性生物吸附剂是通过微波制备的。由于可以操纵气体流量和温度，因此传统方法对于特定的污染物清除功能而言，效率更高，灵活性更高。由于在吸附剂表面产生了多种功能团，单步改性方法是常用的常规策略。再者，与后处理方法相比，它有助于形成更多种官能团。微波辅助的生物吸附剂和矿物负载的磁性生物吸附剂也可以被认为是一种一步改性方法。水热碳化是在水条件下以100~350 ℃的加热温度进行的热化学加热过程。水热碳化产生的温室气体排放量低，但表面积和孔隙率低，这限制了其应用。与常规的碳化方法相比，通过水热法生产生物炭的情况相对较少。显然，工程磁性生物炭似乎是一种有效的、绿色的、可持续的合成方法，用于制备所需的吸附剂，该吸附剂应通过未来的研究活动进行评估。

3 结束语

磁性生物吸附剂在其性质和效率方面已显示出越来越大的潜力，可以去除废水中的有机和无机污染物。这篇综述总结了磁性生物吸附剂的最新合成方法。磁性生物吸附剂可以通过单步（预处理）、双步（后处理）、水热、微波辅助和绿色合成方法进行合成。其中，热解工艺比微波辅助的生物吸附剂能更好地开发各种功能，氧化还原过程形成了各种官能团。而预处理（单步）修饰方法被认为是一种更简单高效的方法。水热改性生物吸附剂可以减少生物吸附剂合成过程中的温室气体排放，但产生的表面积和孔隙率低，这限制了它们的应用。近年来，工程磁性生物吸附剂由于具有自我可持续性，因此不需要人工浸渍金属纳米颗粒，引起了研究关注。

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Research Status of Magnetic Adsorbent Synthesis Methods

（Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325000, China）

Water pollution and its remediation have become a global problem, especially heavy metals pollution of lakes and rivers. How to remove heavy metals from them has also caused a lot of discussion. Compared with activated carbon, low-cost industrial waste, polymers, minerals and metal nanoparticles, metal-induced biosorbents may be a more promising option. Metal nanoparticles show high efficiency in removing trace contaminants. Magnetic biosorbent can promote the specific surface area, pore size and surface function, thereby improving the adsorption capacity and promoting the recovery of biosorbent. In this paper, the different synthesis methods of magnetic biosorbents were introduced, and their advantages and disadvantages were compared.

Magnetic bioadsorbents; synthesis methods; heavy metals

2020-01-15

李圣宇（1993-），男，硕士在读，浙江省杭州市人，研究方向：生物材料的研究与开发。

何华成（1985-），男，讲师，博士学位，研究方向：生物医药材料。

O647.31+4

A

1004-0935（2020）05-0539-03