生物质炭的制备、功能改性及去除废水中有机污染物研究进展

周 宇，陈晓娟，卢开红，陈杰明，李 宁，张兴华

(1.佛山科学技术学院食品科学与工程学院，佛山 528000；2.中国科学院广州能源研究所，广州 510650；3.佛山科学技术学院环境与化学工程学院，佛山 528000；4.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，佛山 528000)

0 引 言

随着社会的不断发展和人们在生活中对化学品需求量的不断增加，有机污染废水的排放量大幅增多。此外，因生物法处理技术对水质和处理条件等要求严苛，致使生物法对废水中的一些新兴污染物或痕量微污染物的去除效率非常有限。因此，有机污染废水处理技术的研究仍是目前环保领域的热点。

与此同时，农业废弃物、市政污泥、各种残渣等大量产生，也造成了严重的环境污染，亟需寻找解决途径。值得注意的是，这些固体废弃物是典型的生物质，若将其制备成生物质炭，不仅能实现废弃物的资源化利用，所制得的生物质炭还能用于处理各种有机污染废水[1-2]。然而，大部分的原生生物质炭在物化性质，如比表面积、孔隙度、活性位点、表面官能团等方面比较局限，严重影响了生物质炭在水处理领域的利用效能。但研究表明，通过系列物理的、化学的或生物的方法对原材料进行预处理或者对所得的生物质炭进行改性，可在很大程度上改善生物质炭的物化性质，提高其利用效率[3]。

1 生物质炭的结构与特性

生物质炭(biochar)是一类以生物质为原料，经过高温炭化得到的活性炭，其结构是原材料生物质经过一系列的热解炭化导致化学键断裂和重新组合后由芳香化合物及矿物质构成的新“骨架”[4]。主要组成元素是C、H、O、N，除此之外还有S、P、K、Ca、Mg等元素。其中，C元素在生物质炭材料中存在形态多样，13C NMR显示生物质炭中的C主要有脂肪族碳、芳香碳、羧基碳、羰基碳等形式[5]。生物质炭性质分为物理性质和化学性质两大类。物理性质主要有孔径、比表面积、颗粒粒径、机械强度等，大的比表面积以及丰富的孔隙结构和表面官能团是生物质炭的重要特性，决定着生物质炭的吸附和催化能力以及反应动力学特征，也是评价生物质炭质量的关键性参数[6-7]。化学性质主要有元素组成、pH值、表面官能团等，这些性质在很大程度上也影响着生物质炭的应用能力。因生物质炭的制备过程需经过高温，故炭化温度在很大程度上影响着生物质炭的内部结构。Lehmann等[7]研究发现，当炭化温度逐渐升高至400 ℃左右时，所得生物质炭结构中芳香族碳增加,主要以无定形碳为主。当炭化温度继续升高至800 ℃时，所得生物质炭结构中涡轮层状芳香碳增加。继续增加温度(2 500 ℃)，所得生物质炭结构逐渐趋于石墨化(见图1)。

图1 不同炭化温度下的生物质炭结构[7]Fig.1 Structure of biochar at different carbonization temperatures[7]

2 生物质炭的原材料来源

生物质炭的原材料来源广泛，从理论上讲，只要是有机质材料均可用于生物质炭的制备，主要包括农林废弃物、市政污泥、动物粪便、动物尸体残骼等[8]，另外还有餐厨垃圾、毛发等，如图2所示。这些原材料中含有比较丰富的C元素，而且植物类生物质炭中还富含木质素和纤维素[9]，是转化成能源的重要成分。原材料是影响生物质炭物化性质的主要因素之一，在很大程度上影响着生物质炭的比表面积、孔径大小以及官能团特性等[10]。通常来说，生物质炭的产量、比表面积以及孔隙率都与原材料中的木质素含量成正非线性关系[11]。

图2 生物质炭的主要原材料[8]Fig.2 Main raw materials of biochar[8]

2.1 农林废弃物

据估算，我国农林废弃物的数量每年以5%～10%的速度增加，其中大部分都没有得到合理利用[12]。目前最常用的处理方法是直接遗弃和焚烧，而这种处理方法造成了严重的空气污染，与“碳中和”的理念极不相符。农林废弃物具备生物质特有的多组分、多维度、高含碳量和精细的形貌结构等特性，也是制备不同类型碳材料的理想前驱体[13-14]。而且，大多数农林废弃物经过高温碳化和活化之后转化为生物质炭材料，仍能保持原有的多层次、多孔隙结构[14]。此外，农林废弃物自身是具有类似于—COOH、—OH、—NH2等活性官能团的物质，同时更为重要的是，可通过化学改性引入吸附能力强的活性基团来提高其吸附能力，实现自主可控，这是其他吸附材料如活性炭所不能比拟的[15]。

2.2 市政污泥

污泥生物质炭是指通过污泥热解所产生的黑色炭化固体物质，主要由有机碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)、钠(Na)、硅(Si)等元素组成，其中C、H 和O是构成污泥生物质炭的主要元素[16]。热解温度和热解时间是直接决定生物质炭孔结构和比表面积大小的关键因素。一般情况下，随着热解温度的升高，生物质炭中挥发性有机物逐渐释放，原料的碳结构中被阻塞的孔径逐渐被疏通，污泥生物质炭的比表面积逐渐增大。但当温度增加到一定程度后，生物质炭内部微孔逐渐增加，容易引起污泥生物质炭内部孔结构的坍塌或者缩合，又会导致生物质炭比表面积有所下降[17]。

2.3 动物粪便

以动物粪便为原料获得的生物质炭含有较高的pH值和矿质养分，养分组成整体以P和K为主，N、Ca、Mg和Fe的含量次之，可以很好地改善土壤，提高土壤的种植能力，从而提高农作物产量[18]。

2.4 动物尸体残骸

在无氧高温条件下用热解碳化工艺使动物尸体残骸中有机成分发生裂解而制成生物质炭，可以直接用作土壤改良剂或经过再次加工形成具有更高附加价值的生物质炭肥作为农作物的肥料[19]。

2.5 其他来源

餐厨垃圾、瓜壳、果皮、毛发等生活中常见的有机质垃圾也是制备生物质炭的重要原材料，主要含C、H、O、N等元素。生活垃圾制备成生物质炭可用于土壤改良、有机废水和废气处理，也可以实现生活垃圾的减量化和资源化，符合当前“碳中和”发展理念要求。

3 生物质炭的制备方法

3.1 热分解法

热分解法是指在无氧或缺氧条件下将原材料置于高温条件下使其发生裂解反应而得到生物质炭的方法，主要有快速热解和慢速热解两种。慢速热解所产生的生物质炭主要由石墨层组成，在高温条件下，表面的烷基氧、烷基碳会进一步转化为芳香碳。虽然慢速热分解法制备生物质炭的过程速度缓慢，但是生物质炭产量高。其中，碳化温度是影响生物质炭物理化学特性的关键因素之一，从而影响着生物质炭的应用能力。Wang等[20]制备了稻壳基生物质炭，并考察了碳化温度对生物质炭吸附雌二醇的影响。结果表明，碳化温度可以改变生物质炭表面的基团种类和含量，影响孔隙结构的形成和比表面积的大小，碳化温度过高或过低都不利于生物质炭对雌二醇的吸附。

3.2 水热碳化法

水热碳化法是指在一定的温度和压力下，以饱和水为介质，在催化剂的作用下，生物质原材料经过水解、脱水缩合、脱羧基、芳构化、聚合等一系列反应而得到生物质炭。值得注意的是，生物质的水热炭化过程所涉及的这些反应并不是连锁式的，而通常是在不同反应路径下并发进行。但总体上来说，基本反应机制包括[21]：生物质解聚；分解的生物质单体进一步断裂、脱水、脱羧、脱氨基、反应碎片重组。该方法可以获得较高的生物质炭产量，且所得的生物质炭具有较低的H/C和O/C比值，品质更接近煤质，含有大量的芳香结构[22]。通过该方法获得的生物质炭比表面积较小，可以形成纳米球、纳米管、纳米纤维构型以及亚孔、微孔等孔结构。与热分解法相比，水热碳化温度更温和，所得生物质炭的元素组成较原材料变化不大，碳元素和氧元素含量占较大比例，而热分解炭的分子结构和芳香性均有很大程度的改变；大部分热解炭呈偏碱性，而水热碳化生物质炭pH值通常在6左右；水热碳化生物质炭的孔结构没有热解炭发达，比表面积也普遍低于高温下产生的热解炭。但由于热分解过程在高温下进行，通常所得的生物质炭热稳定性要高于水热碳化生物质炭。赵丹等[23]通过研究发现水热碳化与热解碳化相比，水热碳化的生物质炭在富集有效营养元素(P、N)和固定重金属浸出风险上都表现出明显的优势。

3.3 微波热裂解法

微波热裂解法是指在无氧条件下，将生物质原材料加热到400～500 ℃，得到不可气化的固体部分即生物质炭，是热分解和微波裂解相互协同作用的高温裂解技术。相较于热分解法和水热碳化法，微波热裂解法在制备生物质炭方面展现了如下的优势[24]：(1)微波热解是利用电磁波使得物质分子间相互碰撞摩擦产生热量，能有效地对物体内外进行全面均匀加热；(2)由于微波热解是在封闭的空间进行，且微波室的四周都是金属墙壁，电磁波不会出现泄漏和做无用功，只能对其中的物品进行加热，从而达到高效节能的效果；(3)易于控制，微波热解装置是利用开关和旋钮进行控制的，能根据需要灵活多样地对电磁波进行调节，十分便捷；(4)安全无害，微波热解过程不会产生有毒有害气体。王程等[25]研究了不同功率和反应时间对杏壳的微波热裂解生物质炭物化性质和吸附性能的影响，结果表明，当微波功率为800 W，反应时间为1.5 h时，所得的生物质炭比表面积高达1 223 m2/g，总孔体积为0.68 m3/g，其对甲基橙的吸附率高达99.78%。来雪慧等[26]通过微波活化法处理玉米秸秆制备生物质炭，其对亚甲基蓝的最大吸附量是84.89 mg/g。Miura等[27]以杨木为例，证明采用微波热解可以处理生物质颗粒的范围是0.06～0.3 m，并对微波热解处理3 min后木块的横截面进行检测，结果表明原料的碳化是从木材的中心开始的，这也说明微波加热具有体积加热的性质。

3.4 超声法

超声法是利用超声波产生的空化效应引起的一系列动态反应，其在很短时间内形成冲击波和高速射流，这种机械作用能够使介质颗粒交替压缩和伸长[28]。由于超声波具有超强的声波作用，在液体介质传递过程中会产生空化气泡，即发生空化效应，同时生成·OH等氧化性较强的活性物种[29]。Yu等[30]发现，用超声预处理后的生物质炭比表面积和总孔容均有很大程度的提高。因此，该方法制备或者预处理之后所得的生物质炭对污染物具有更优异的吸附性能，也能在一定程度上超声催化降解污染物。

3.5 其他方法

制备生物质炭的方法还有气化法、烘焙碳化法、CO2辅助热解等。气化法是指生物质原材料在800 ℃左右大气中或是在气化室加压下被氧化形成生物质炭，但其制备的生物质炭比表面积较小，颗粒粒径分布不均[31]。烘焙碳化法是在低温限氧条件下生成生物质炭的方法，但其O/C比较低，对污染物的吸附性较差[32]。Kwon等[33]在CO2辅助条件下将木质素和Co3O4共热解制备生物质炭，当温度从700 ℃升高至760 ℃时，其比表面积从564.3 m2/g提升到1 173.5 m2/g。

生物质炭的众多制备方法所得到的生物质炭物化性质各异，但是所有制备方法中影响因素最大的是反应温度，而且不同的制备方法中，生物质原材料均经历了失水、纤维素和半纤维素热解、木质素热解、碳化等四个阶段[34]。其中，热分解法和水热碳化法是两种最常用的方法，表1显示了两种方法的特点及所得生物质炭的物化性质。

表1 生物质炭的热分解法和水热碳化法特点及所得生物质炭的物化性质Table 1 Characteristics of biochar by thermal decomposition and hydrothermal carbonization as well as its physicochemical properties

4 生物质炭的改性措施

通常来说，直接由原材料通过各种手段获得的生物质炭，存在比表面积较小、孔结构单一、表面官能团不够丰富等问题，从而使其对特定污染物的吸附富集能力较差，往往需要通过对原材料进行预处理或者对所得的生物质炭进行改性，以期提高生物质炭的比表面积、丰富生物质炭的孔结构分布，且有针对性地去除某些特定污染物。目前，已从生物质炭自身的物化性质特点出发，研究了多种改性途径，如图3所示。

图3 生物质炭改性方法及其作用[32]Fig.3 Modification methods and mechanism of biochar[32]

总的来说，生物质炭的大部分改性方法以物理法和化学法为主。物理法改性具有不添加杂物、成本低、易控制等优点，主要是蒸汽改性。化学法改性通常是在原料中添加化学物质达到改变生物质炭表面化学性质的方法，主要有酸碱改性、氧化剂改性和还原剂改性等。生物质炭的物理化学改性方法优缺点[35-37]如表2所示。除此之外，也有少量的生物法改性措施。生物法改性主要是将生物质原料经过厌氧消化或细菌转化而制成生物质炭。包括利用生物质炭表面附着的生物膜去除污染物和把生物质厌氧消化后的残渣经过热解制备成生物质炭进而去除污染物两种方法[38]。Yao等[39]将生物改性制备的生物质炭用于吸附磺胺甲基嘧啶和磺胺吡啶，结果显示，其吸附量远远高于未改性的原生生物质炭。

表2 生物质炭常用改性方法优缺点[35-37]Table 2 Advantages and disadvantages of common modification methods of biochar[35-37]

5 生物质炭在有机废水处理领域的应用

有机污染废水通常是指生活和生产中排出的以有机污染物为主而丧失原来使用功能的废水，有机物含量多，危害性大[40]。近几年，因生物质原材料来源广泛，由其获得的生物质炭在有机污染废水处理领域也得到了广泛关注。主要是利用生物质炭较大的比表面积和丰富的表面官能团对污染物的吸附作用，利用生物质炭作为载体负载活性氧化物在光照条件下催化降解有机污染物，利用生物质炭的强电子转移能力原位诱导活化H2O2芬顿催化降解有机污染物，利用生物质炭对微波的强吸收能力和其结构中丰富的π电子在微波作用下催化降解有机污染物等[41]。

5.1 吸 附

由各种原材料或者经过预处理改性之后得到的生物质炭比表面积大、孔结构丰富、表面官能团容易调控，可有针对性地去除废水中特定的有机污染物。赵涛[42]研究表明，在(25±1)℃，生物质炭添加量为8 mg/L，吸附4 h，以玉米秸秆为原材料获得的生物质炭对磺胺嘧啶和磺胺氯哒嗪的去除率分别为95.64%和98.32%。郭航言等[43]以稻秆、玉米秆、香蕉皮和柚子皮为原料制备生物质炭，研究发现，以稻秆为原料得到的生物质炭对染料废水中亚甲基蓝的吸附性能最好，吸附容量达119.7 mg/g。这主要是由于相比其他果皮型生物质炭，稻秆基生物质炭的晶体化程度更高，且含有丰富的羧基、酯基或醛基等官能团。Regkouzas等[44]以污泥为原料制备的生物质炭对地表水中几种典型微污染有机物的吸附效率高达67%～99%。Chen等[45]采用木屑为原料制备生物质炭，其对几种典型的内分泌干扰素的吸附容量为106～149 mg/g。丁艺[46]以养殖场牛粪为前驱体制备了生物质炭，其在25 ℃，吸附剂为0.1 g/L，溶液pH值为4，四环素初始浓度为132 mg/L的条件下，展现出最大吸附容量412 mg/g。张涵瑜等[47]分别用芦苇基生物质炭和污泥基生物质炭处理含诺氟沙星废水，其对诺氟沙星的饱和吸附量分别为2.13 mg/g和2.03 mg/g。总的来说，生物质炭对有机污染物优异的吸附作用主要得益于π-π作用力、氢键作用力、疏水作用力和静电作用力，如图4所示[48-50]。此外，这4种吸附作用机理的主要过程[32,48]如表3所示。

图4 生物质炭去除机污染物的主要吸附机理[48-50]Fig.4 Main sorption mechanisms of biochar to remove organic pollutants[48-50]

表3 生物质炭的主要吸附机理[32,48]Table 3 Main adsorption mechanism of biochar[32,48]

5.2 光催化

光催化是将对光具有响应能力的催化剂置于光照条件下诱导产生活性物种，从而发生系列氧化还原反应来达到降解污染物的目的。研究发现，由多糖制备的水热炭可表现出独特的光催化性能，这主要是由于产生了具有光催化活性的聚呋喃结构，它可以在可见光照射下产生光生载流子[51]。毕文欣等[52]以废弃花生壳为原料，采用简单的水热法制备了生物质炭，其在可见光下对磺胺甲恶唑的去除率仅为27.1%，但是经过氯化铁改性后得到的铁改性生物质炭对磺胺甲恶唑的去除率提高到83.3%。

因此，大部分情况下，主要是将生物质炭作为载体负载光催化剂，利用生物质炭的强电子转移能力，促使光生电子-空穴的高效分离，从而提高光催化剂的催化活性[53]。姚鑫[54]以竹叶为原材料制备了生物质炭，并将花状的BiOI在高温下与生物质炭一起煅烧制备成BiOI/生物质炭复合材料，当BiOI与生物质炭的质量比为2∶3时，复合材料对亚甲基蓝的降解效率为79.6%。Zhang等[55]以芦苇草为原材料，酸化预处理之后制备了TiO2/生物质炭复合光催化剂，当催化剂的煅烧温度为300 ℃、催化剂用量为1.25 g/L、溶液pH值为4时，其对磺胺甲恶唑的催化降解速率为0.013 0 min-1，约是纯TiO2的2.55倍(0.005 1 min-1)。张隐等[56]将纳米ZnO均匀负载在生物质炭表面得到了生物质炭/ZnO复合材料，与纯纳米ZnO相比，复合材料的比表面积和光生电子-空穴对的分离效率显著提高。当复合材料中生物质炭与ZnO的质量比为0.17∶1时，其在500 W紫外灯照射20 min后对亚甲基蓝的降解率达到99.8%，其催化机制如图5所示。

图5 生物质炭/ZnO复合材料对亚甲基蓝的光催化去除机制[56]Fig.5 Adsorption-photocatalytic synergistic removal mechanism of methylene blue by biochar/ZnO composites[56]

5.3 非均相芬顿催化

传统的芬顿(Fenton)氧化技术是Fe2+在H2O2的氧化作用下形成Fe3+，同时Fe3+也得到电子转化成Fe2+，构成了氧化还原反应链条，且在这个过程中会产生大量强活性自由基·OH，进而催化降解有机污染物。但是，该过程也会产生大量的絮凝体，造成二次污染。因此，研究者在此基础上开发了类Fenton催化反应。类Fenton法是在有催化剂存在的条件下利用H2O2产生的强氧化性自由基如·OH(E0=+1.8～+2.8 eV rersus NHE)氧化水中有机污染物并使其矿化为二氧化碳和水，由于所用试剂无毒、绿色，处理效率快，不产生铁泥、操作pH值温和等特点，成为废水中难降解有机污染物的主要处理技术之一[57]。Gu等[58]研究发现，污泥基生物质炭对萘系染料具有优异的类芬顿催化降解活性，这主要是由于经高温热解形成的磁性氧化物Fe3O4作为活性中心与碳基表面路易斯碱形成界面电子传递机制(见图6)。此外，污泥基生物质炭石墨相中未成对电子与Fe(Ⅲ)界面存在一个热力学自发的电子转移过程，可快速将Fe(Ⅲ)还原为Fe(Ⅱ)。Rubeena等[59]制备了稻壳基Fe浸渍生物质炭，其在溶液pH值为3，生物质炭投加量为5 g/L，H2O2浓度为16 mmol/L、反应时间为120 min时，对酸性红的去除效率为97.6%，TOC去除率为84.2%。张媛媛[60]利用小麦秸秆制备了生物质炭，其在H2O2存在的反应体系中可以强化针铁矿高效催化降解氧氟沙星，生物质炭的存在促进了类芬顿反应的进行，提高了反应体系·OH的产率。陈晶晶[29]通过热解甘蔗渣制备生物质炭，并将其作为类芬顿反应中活化H2O2产生·OH的活化剂，当生物质炭的投加量为90 mg/L、H2O2的添加量为0.1 mL，溶液pH值为3，亚甲基蓝的初始浓度为100 mg/L，反应时间为48 h时，生物质炭对亚甲基蓝的脱色率和TOC去除率分别为99.99%和41.32%。罗浩[61]以猪粪为原材料制备生物质炭，并将其用于活化H2O2，30 min内对磺胺甲嘧啶的类芬顿催化降解效果超过80%。安婧[62]研究表明，以印染污泥为原料制备的生物质炭，对亚甲基蓝表现出良好的类芬顿催化降解活性，主要是由于污泥中含有的Fe3O4和Fe(OH)2活化H2O2产生了强活性自由基。

图6 铁负载污泥基生物质炭的基本结构示意图及其活化H2O2芬顿催化降解染料的机理[58]Fig.6 Schematic diagram of basic structure of iron-supported sludge-based biochar and its Fenton catalytic mechanism of dyes by activation of H2O2 [58]

5.4 微波催化

微波作为一种新型能源，已广泛用于食品、化学等各种工业以及环境治理领域。然而，学术界对微波作用的认识仍然存在分歧，一些学者认为微波的高效率是制热效应所导致，另外一些学者则认为是微波起到了催化剂的作用，从而降低了反应的活化能[63]。但是，在微波技术的研究中，主要还是考虑微波的催化剂作用。生物质炭不仅孔隙度大，对微波吸收能力比较强，而且含有较多移动π电子，作为微波催化剂相对其他材料而言更具优势。一方面，生物质炭作为微波催化剂可以产生很多高温热点，大大降低了反应活化能；另一方面，微波催化过程产生了大量·OH，可高效降解有机污染物，并将其转化为CO2和H2O。生物质炭微波催化去除有机污染物的机理如图7所示[64]。吝美霞[65]研究表明，微波诱导生物质炭对萘的降解效果比纯微波催化降解效果高出7倍左右，这主要是由于微波辐射能使生物质炭表面形成高温电弧，进而与反应体系中空气和水反应生成羟基自由基使得萘发生降解。沈天瑶[66]研究表明，在微波催化作用下，生物质炭活化过硫酸盐去除4-氯酚(4-CP)的表观反应速率提高了13.0倍。

图7 微波诱导生物质炭催化降解有机污染物的作用机制[64]Fig.7 Mechanism of microwave catalytic degradation of organic pollutants by biochar[64]

5.5 其 他

有机污染废水来源广、成分复杂，单一的处理技术往往效率有限。因此，目前常用的是两种或多种处理方法协同技术，以达到更好的去除效果。譬如吸附-光催化、光-芬顿、电-芬顿、超声-芬顿、微波-芬顿等。卫栋慧等[67]以柚子皮为生物质炭原料，负载四氧化钛构成复合材料，当复合材料用量为2.8 g/L、溶液pH为7、温度为25 ℃、反应时间为5 h时，亚甲基蓝的吸附-光催化协同去除效率为94.17%，高于生物质炭的单独吸附去除效率(20%)和二氧化钛的单独光催化去除效率(70%)。光催化与芬顿催化的协同作用不仅能提高对废水的去除效率，还能减少Fe2+的用量。林鑫辰等[68]以玉米秸秆为原料,在600 ℃高温缺氧条件下煅烧成生物质炭，并利用共沉淀法在其表面负载Fe3O4，制得Fe3O4@玉米秸秆生物质炭磁性复合材料，其对盐酸四环素具有优异的光-芬顿协同催化降解活性；此外，催化剂还展现出良好的磁分离回收性能和循环利用稳定性，重复利用5次后，盐酸四环素的降解效率仍有98%。生物质炭基材料光-芬顿催化降解有机污染物的反应机制如图8所示。电催化技术与芬顿催化技术的协同作用可大幅提高氧化还原反应活性，促使H2O2的原位产生并诱导其经芬顿催化转化为·OH，进而提高有机污染物的去除效率。吴丹[69]以废弃柚子皮为生物质炭原料、以氯化铁为铁源，成功制备了四氧化三铁/生物质炭(Fe3O4/C)复合材料，其在电-芬顿协同催化作用下对头孢他啶的COD去除率高达88.0%，对诺氟沙星的COD去除率高达97.1%。陈晶晶[29]用甘蔗渣制备生物质炭，并将其作为类芬顿反应活性位点活化H2O2，当生物质炭投加量为90 mg/L，H2O2添加量为0.1 mL，溶液初始pH值为3，反应时间为48 h，其对100 mg/L的亚甲基蓝染料废水脱色率和TOC去除率分别为99.99%和41.32%；此外，作者在此基础上，将该芬顿催化反应置于超声环境下，其在8 h反应时间内即可使亚甲基蓝的TOC去除率达71.41%。

图8 生物质炭基材料光-芬顿催化降解有机污染物的反应机制Fig.8 Mechanism of photo-Fenton catalytic degradation of organic pollutants by biochar-based materials

6 结语与展望

生物质炭原材料来源广泛，制备成本低廉，物化性质易调控，作为一种多功能材料正备受关注。生物质炭在有机污染废水处理领域主要作为吸附剂，或者作为其他纳米材料的基质而通过高级氧化等技术实现废水处理。此外，生物质炭作为土壤改良剂，可实现自然界中碳的长期固定，减少温室气体排放，改善土壤环境，提高农作物产量。再者，生物质炭还可运用到电池、荧光纳米材料等领域，有利于实现能源多元化。但总的来说，生物质炭在未来的应用中仍有以下3个方面需要深入探索：(1)生物质炭的原材料来源广泛、结构特征不一，且生物质炭的制备方法多样，因而导致生物质炭的结构和性能也比较复杂，相关转化机理也有待深入探究和明晰。其重点是要开发反应条件温和的制备和改性方法，并通过选择预处理技术、活化剂种类、改性手段等实现具有丰富孔结构和表面官能团的生物质炭可控合成。(2)具有优异物化性质的生物质炭的大规模生产还需要完善和普及，尽快实现生物质炭的高效、规模化、廉价生产，才是真正达到废弃物资源化利用和拓展生物质炭应用的关键。(3)生物质炭原材料中某些重金属或复杂成分是否会成为生物质炭应用之后的二次污染，也需要有更多的数据支撑和研究支持。