生物炭吸附水中六价铬离子的研究进展

肖雪菁

摘 要：生物炭因其良好的表面特性和孔隙结构，广泛的原料来源和广阔的产业化发展前景，已成为当今环境、农业和能源等领域的研究热点。本研究通过大量的文献调研，系统地综述了生物炭的制备原料及方法，阐述了各技术的优缺点并综合分析了国内外生物炭吸附六价铬机理的研究成果，以期望为开展生物炭吸附六价铬离子的研究提供思路与指导。

关键词：生物炭;六价铬;原料及方法;机理进展

1 引言

近10多年来，随着中国工业化进程的不断加快，排放重金属的行业逐渐增多，重金属污染问题也变得日益严重，不容忽视。作为水环境中危害较大的重金属污染物之一，Cr（VI）污染具有持久性特点，可以通过食物链进入人体或其他生物体内，短期或长期接触有致癌危险。因此，如何有效地治理含Cr（VI）废水污染是当今环境保护领域中的一个突出问题。含铬废水的治理方法很多，国内外目前普遍采用的处理方法主要包括膜分离法、电渗析法、化学还原法等[1]。但这些处理方法都存在一定的局限性，如成本高，能耗高，易于产生二次污染等。而吸附法因为原料来源广泛、适合低离子浓度废水、吸附量大、成本低、选择性好、能回收重金属等优势而受到广泛的关注。

吸附剂是决定吸附效果和成本的关键因素。因此，研制价格低廉、效率高的吸附剂是当前水体Cr（VI）污染物吸附处理问题的研究热点。近年来，生物炭因具有发达的孔结构和丰富的极性官能团，例如羧基，酚羟基和氨基等，而作为潜在的新型重金属生物吸附材料[2]。与常用的活性炭吸附剂相比，生物炭无需活化处理，成本低。原材料主要來自农业副产品，废料和高碳含量的残留物，有利于消除废物焚化和腐烂对环境造成的破坏，实现资源的循环利用。因此，生物炭作为一种新型的环境功能材料，以其优良的生态效应和环境效应成为环境科学等领域的研究热点。

2 生物炭

2.1 生物炭的制备原料

生物炭原料来源广泛。目前已有学者采用农业废弃物和工业有机废弃物[3]等制备生物炭，均表现出良好的吸附性能。不同材料制备的生物炭的差异主要体现在生物炭的元素组成、比表面积、孔容孔径、灰分含量、羧酸酯化、芳香化等方面。但以生物入侵种为原料制备生物炭的方法还鲜有报道。生物入侵植物因具有极强的生存繁殖能力得以在其适宜的自然环境大肆生长。它们大多杆茎中含有大量的纤维素、半纤维素、木素、有机质等成分，是制造生物炭的良好材料。且作为生物炭原材料时可以降低其对环境副作用，实现其资源化利用。故将生物入侵植物作为生物炭的制备原料有望成为解决生物入侵种的新途径。

2.2 生物炭的制备工艺

通常，生物炭的制备方法可分为：慢速热解、快速热解、气化热解、水热炭化以及闪蒸炭化法[4]。热解法是指原料在厌氧或缺氧条件下发生热分解转化的过程，该过程温度高达700 ℃、存在烟气污染问题且不利于表面含氧官能团的保留;而气化法是在高温高压条件下生物质被部分氧化燃烧发生气化的过程，该方法容易形成气溶胶堵塞反应器并且产生的烟灰污染环境;闪蒸炭化法在高压条件下进行，存在设备破裂、爆炸等安全隐患。而水热炭化法作为一种热化学转化技术，反应条件相对比较温和，该法将生物质悬浮在相对较低温度密闭容器中反应，从而制备得到炭--水--浆混合物。水热炭化法获得的生物炭具有较高的碳回收率，同时灰分与pH较低，比热解法制得的生物炭具有更多的活性位点及内酯、羧基和酚类成分，结构中的未成键电子利于与金属离子的空轨道配位，可以更好地捕获重金属污染物[5]。由此可知，生物炭是一种经济环保的重金属吸附材料，可在Cr（VI）处理过程中发挥重要作用。生物炭的制备原料、制备工艺及其条件的选择都对生物炭特性具有显著影响，是决定生物炭吸附性能的关键。采用生物入侵种作为原材料不仅在生物炭性能上有所优势，也为解决生物入侵问题提供新的思路。水热炭化法以条件温和、相对较安全、无二次污染以及有利于保留表面含氧官能团的优势，成为制备生物炭的理想方法。

3 生物炭吸附六价铬机理研究方法及进展

由于生物质原料的特性差异很大，碳化过程和转化过程复杂，生物炭特性多变，可控性较弱。同时，生物炭的特性，不同的吸附条件和目标重金属种类均显著影响其吸附行为和效果。可以看出，有许多因素影响生物炭对水中重金属的吸附，并且存在复杂的吸附机理。不同类型和来源的生物质的组织形式是多种多样的，使得生物炭的微观形貌和结构特征具有复杂性，利用表征技术和分析方法对生物炭表面理化性质进一步开展研究，具有十分重要的意义。目前研究常采用的方法包括：扫描电子显微镜、氮气吸附脱附、X射线衍射分析、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶转换红外光谱、核磁共振技术等，可以分析生物炭表面形貌、比表面积及孔结构特性、晶型结构、化学结构和价态、表面官能团等，这为深入研究和揭示生物炭吸附重金属机理提供有力技术支撑。

目前，有研究者针对生物炭吸附Cr（VI）的微观机理进行了部分研究。Xu[6]通过X波段扫描、傅里叶红外光谱、X射线衍射等技术发现生物炭表面的含氧官能团在吸附还原Cr（VI）的过程中充当给电子体的角色。Pan等[7]利用红外光谱分析生物炭吸附Cr（VI）前后的生物炭表面官能团，发现吸附前后出现了不同程度的官能团位点的迁移，说明这些含氧官能团均参与了生物炭对Cr（VI）的吸附过程。张明明[8]对生物炭吸附Cr（VI）前后做了X射线光电子能谱分析，发现吸附六价铬离子后生物炭表面的含碳官能团产生了较大的变化，这一现象说明含碳官能团是复合材料吸附六价铬离子的主要机理。虽然，目前对生物炭重金属机理研究取得了一定的成果，但是仍处在探索阶段，没有形成系统理论，仍有待于进一步深入研究。

参考文献：

[1]张滕，王勇梅，彭昌盛，等.染料废水的处理方法及研究进展[J].环保科技，2016，22（01）：36-40.

[2]徐琰.柠檬酸改性生物炭表征特性及其对亚甲基蓝吸附性能研究[D].长沙：湖南大学，2017.

[3]蒲生彦，贺玲玲，刘世宾.生物炭复合材料在废水处理中的应用研究进展[J].工业水处理，2019，39（09）：1-7.

[4]吕贝贝，张贵云，张丽萍，等.生物炭制备技术研究进展[J].河北农业科学，2019，23（05）：95-98.

[5]孙克静，张海荣，唐景春.不同生物质原料水热生物炭特性的研究[J].农业环境科学报，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]张明明.生物炭改性材料的制备及其对水体中六价铬的吸附机理研究[D].长沙：湖南大学，2016.