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生物炭去除重金属的研究进展

生物炭去除重金属的研究进展

　　摘要：

随着矿山开采、金属冶炼加工、化工产业的发展，各种工业废水排放入水环境，致使各类水体污染日趋严重。

近年来吸附法作为一种去除水污染物的有效方法，受到了广泛关注。

研发新型高效廉价吸附剂则成为该领域的研究热点。

生物炭作为一种新型吸附剂，是一种绿色环保的修复材料，具有价格低廉，制备原料来源广泛，孔隙度大、比表面积大、吸附性能强的特点，所以其在重金属吸附与去除的应用中具有良好的潜力与前景。

本文针对以生物炭作为水中污染物吸附剂的研究现状进行了总结，对其吸附机理进行了分析。

希望本文能为生物炭在我国的水处理技术研究领域的推广与应用提供参考。

　　Abstract：

Asthedevelopmentofminingindustry，metallurgy，chemicalindustry，largeamountofindustrywastewaterhasbeendischargedintowaterenvironments，itleadstoaseriouspollutioninsurfacewater.Recently，adsorptionmethodiswidelyusedinwastewatertreatmenttechnology.Findingefficientandeconomicabsorbenthasbecomeahotspotfortheapplicationofthismethod.Asanenvironmental-friendlymaterialforremediation，biocharhaslowprice，highporosityandspecificsurfacearea，absorptionability，widerangeofpreparationmaterial.Ithasverylargepotentialsforheavymetalremediationandwastewatertreatmentfield.Therefore，studiesusedbiocharasabsorbentforheavymetaliscollectedandsummarized.Theinteractionmechanismsbetweenbiocharandheavymealarediscussed.

　　关键词：

生物炭；吸附剂；重金属

　　Keywords：

biochar；absorbent；heavymetal

　　中图分类号：

S153文献标识码：

A文章编号：

1006-4311（2015）22-0149-04

　　0引言

　　随着我国化学工业、矿山开采、冶炼业、印染业的快速发展，各种含重金属废水排入水体，导致我国水环境污染[1-3]。

生物炭作为一种新型吸附剂，由于具有孔隙度好、比表面积大、吸附能力强且来源广泛的特点，近年来逐渐成为环境、能源等诸多领域的关注焦点[4-8]。

　　生物炭是一种由生物质在缺氧条件下通过热化学转化而来的固体物质[9]，并于2007年在澳大利亚举办的生物炭会议上统一命名[10]。

生物炭的原料一般为植物及其废弃物，通过过热裂解的方式制备而成。

生物炭富含有机碳，在天然条件下降解速率慢，目前主要用作土壤修复剂与土壤的改良剂，用来吸附改善土壤环境，提高土壤肥力。

此外生物炭的制备与使用可以大量减少本应通过燃烧排入大气的CO2，大量减少温室气体的排量，保护大气环境[11-13]。

　　虽然生物炭没有经过像活性炭那样的活化处理，但是对于铅、铜、锌等众多重金属仍具有与活性炭一样的良好吸附效果。

但与活性炭相比，生物炭由于未经过活化处理，其费用较活性炭要低，而且制备原料比活性炭要更为广泛。

当生物炭与活性炭原料同为牛粪时，生物炭的吸附量大于活性炭。

当生物炭与活性炭的原料不同时，生物炭吸附性能也可大于活性炭，例如，番木瓜种子制备的生物炭对Pb2+吸附量为1666.67mg/g，远大于活性炭吸附Pb的量。

正是由于这些特性，生物炭可以取代煤、椰壳与木质活性炭作为低成本吸附剂去除污染物[14]。

因此，研究生物炭对重金属的去除机理，对利用生物炭进行水溶液中重金属污染物的去除及生物炭的应用等具有重要意义。

　　本文根据有关生物炭与重金属吸附实验研究成果，针对生物炭作为水重金属污染物吸附剂的国内外研究现状进行总结，并对其吸附机理进行了分析，对生物炭在环境修复的应用前景进行了分析与展望。

　　1生物炭制备

　　生物质广泛存在自然界中，包括微生物、植物、动物以及所有生命物质的派生、代谢与排泄的所有有机质。

生物质是个潜力巨大的新型能源，其主要包括薪柴、牲畜粪便、城市垃圾、污水、水生植物以及农业生产废料等。

生物质通过加热隔离氧气的方法进行裂解与气化可制备出含有不同组分含碳元素的有机物：

生物炭、生物油与气体（表1）[15-17]。

热裂解的工艺参数直接可决定产物的组成、比例与产物的性质。

这些参数包括，裂解温度、压力、裂解时间、生物质的原料、粒度等。

而其中影响最为显著的是裂解温度。

研究表明，热裂解温度越高，则气体的产物含量越高，而固体的产量则会越低。

当热裂解的温度高于700℃，气体的含量不在增加，而固体表面的官能团含量则会随着温度的升高而降低，当温度>800℃，则固体主要以炭元素与少量的氧元素为主，氢元素含量极低。

　　生物炭制备一般是将生物质如木材、农作物废弃物等在缺氧或有限氧供给和相对温度“较低”（　　2生物炭吸附重金属

　　由牛粪、稻壳、松木制备的生物炭对于Pb2+均表现出较好的吸附效果。

由牛粪制备的生物炭最大吸附量可达约140.9mg/g[21]，亚麻纤维束生物炭对Pb2+的吸附量可达147mg/g[22]，而松木制备的松木炭对Pb2+的吸附量可达279.7mg/g[23]。

由稻壳、茶树枝制备的生物炭对Cu2+吸附效果也很明显[24，25]，其中茶树枝生物炭具有最大吸附量，约为47.6mg/g[25]。

由甜菜渣制备的生物炭对六价Cr有较强的吸附能力，最大吸附量可达123.0mg/g[26]。

亚麻纤维束生物炭最大可吸附39.1mg/g的Cd2+，松木皮生物炭最大可吸附12.2mg/g的As3+[27]。

　　上文能直观地阐述已有生物炭吸附水中重金属的研究成果，表1总结了不同生物炭的吸附重金属污染物的性能。

但需要注意的是，由于生物炭制备原料与制备条件不同，实验也是在不同pH、温度与吸附质浓度、生物炭粒径、比表面积、电解质与离子强度条件下开展的，这些数据中即有批实验的结果，也有柱实验的结果。

因此，表2结果仅只表明在该参考文献实验条件下的生物炭吸附重金属的性能，不具有可比性。

　　3生物炭与重金属吸附机理

　　生物炭吸附重金属的机理主要包括：

离子交换、络合化学沉淀反应与物理吸附。

　　离子交换反应需要在适宜的pH值条件下，生物炭表面官能团上失去质子，并与重金属阳离子发生作用。

木材或树皮快速热解制得的生物炭吸附可通过离子交换作用大量吸附Pb2+、Cd2+与As3+[28]；亚麻纤维束生物炭与Cd2+吸附机理主要为生物炭表面发生的离子交换作用[22]。

　　络合化学沉淀反应主要与生物炭表面的冠能团（羧基、醇、羟基）与重金属阳离子的特征吸附。

奶牛粪生物炭与Pb2+的吸附就是由于牛粪生物炭上的羧基与Pb2+发生的络合反应[21]。

脱脂番木瓜种子去除重金属离子起主要作用的是生物炭表面的官能团和重金属离子之间形成的络合物[33]。

　　此外，在生物炭与重金属离子发生离子交换或络合沉淀反应的同时，物理吸附作用也会起到一定做用。

例如，甘蔗渣生物炭吸附Cr（VI）首先就是由于酸性条件下由于静电引力的作用将带负电的Cr（VI）向带正电荷的生物炭表面迁移，经过还原作用将Cr（VI）还原成Cr（III），最后再与生物炭上的官能团发生络合反应[26]。

此外，甘蔗渣与奶牛粪生物炭去除Pb2+时，也发现表面吸附对生物炭吸附重金属离子有一定的作用[21，29]。

　　4影响生物炭吸附重金属的因素

　　4.1溶液温度

　　实验研究表明，当实验温度升高时，生物炭对于重金属吸附能力也随之加强，这主要是由于生物炭吸附重金属为吸热反应，即重金属被生物炭吸附需要吸收能量，而升高温度有利用两者之间的相互吸附作用[34]。

另外，升高水溶液温度也可以提高重金属离子的运动速度，增加重金属离子与生物炭表面的碰撞与接触几率，提高吸附的可能性。

　　4.2水环境的pH值

　　水溶液的pH值对于生物炭的表面电荷产生影响。

当水溶液pH值较低时，生物炭表面与H+结合，使得生物炭表面负电荷降低，从而降低其对于重金属阳离子的吸附能力；当水溶液pH值升高时，生物炭表面的官能团失去质子，从而使得生物表面负电荷增加，对于重金属阳离子的吸附能力增大。

此外，水溶液的pH值也影响着重金属的存在形态，当水溶液的pH值为碱性时，其会产生重金属阳离子的碱性沉淀物。

因此溶液的pH值不仅能够影响生物炭表面的电荷密度，而且还可以影响金属离子的存在形态，进而决定生物炭对金属离子的吸附去除效果[28，30]。

　　4.3溶液中的其他阳离子

　　在废水或天然水环境中，除了重金属离子还有大量的轻金属阳离子存在于水环境中，而这些阳离子的浓度也会影响生物炭重金属离子的吸附。

研究发现，溶液中的Na+，K+，Ca2+，Mg2+等阳离子会减少生物炭对重金属离子的吸附量，且离子浓度越大生物炭吸附重金属量越少。

这是由于溶液中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子会在生物炭表面与重金属阳离子产生竞争吸附，占据生物炭表面的吸附位，影响重金属离子的去除效率[27]。

　　4.4溶液中重金属离子的浓度

　　溶液中重金属离子的初始浓度对生物炭的吸附作用也存在影响：

初始浓度越大，生物炭吸附重金属离子的性能越强。

其主要原因是当重金属离子浓度较低时，重金属离子只是与生物炭表面进行吸附作用，当重金属离子的浓度增大时，重金属与生物炭内部的结构进行作用，进而吸附量也增大[27，30]。

　　5结束语

　　生物炭作为一种绿色环保的材料已经应用于土壤修复领域，不但改善了土壤环境，对土壤中污染物起到钝化与修复作用，而且减少了温室气体CO2的排放量。

生物炭与活性炭相比价格低廉、生产原料广泛与对多种污染物具有较高的吸附性能等优点，所以生物炭在水处理技术中的应用也更有潜力。

生物炭的广泛应用将为解决世界能源危机，实现变农业废物为宝，废弃资源再利用，全球气候与环境的变化，碳减排具有重要的意义。

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