刘立东
航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：随着现代工农业生产的迅速发展，每年都有大量的重金属通过金属矿山开采及冶炼、化工废水、化肥农药和生活垃圾等方式进入水体，导致水体重金属污染日益严重。此类污染物在水体中具有很强的毒性和不可降解性，还会通过生物链的累积放大其危害性，不仅破坏了生态系统，而且严重威胁到人体健康。因此，如何采取科学有效的方法处理重金属污染废水已经迫在眉睫，同时重金属水体污染防治已成为当今环境领域的研究热点之一。
关键词：生物炭；复合材料；污染物
生物炭--般是指生物质原材料在厌氧或缺氧的条件下，经一定的温度(<700 oC)热解产生的含碳量高、具有较大比表面积的固体生物燃料，也称为生物质炭。常见的生物炭包括木炭、稻壳炭、秸秆炭和竹炭等。它们主要由芳香烃和单质碳或具有石墨结构的碳组成，除了C元素，还包括H、0、N、S以及少量的微量元素。虽然生物炭的性质受制备条件的影响较大，但总体来说，生物炭比表面积大、容重小、稳定性高、吸附能力强被广泛应用于生态修复、农业和环保领域。
一、生物炭
在传统农业阶段，农作物的废弃物一般是以焚烧还田的方式进行处理，人们通常采用将土覆盖在点燃的生物质上的方法实现在缺氧条件下的无烟燃烧，燃烧后的生物炭留在土壤中，可改良土壤并提高土壤肥力。随着技术的发展，目前生物炭的制备多在窑炉中进行，提高了效率，但基本原理与传统农业手段是相同的。目前制备生物炭常用的方法是热裂解法，即限氧升温炭化法。根据不同的反应条件可以将热裂解法分为两种：一是快速裂解法，反应温度一般在700℃以上，生物燃料的制备通常采用这种方法；另一种是常规裂解法，温度一般在700℃以下，生物炭主要用这种方法制备而成。研究表明，生物质原材料的种类会对生物炭的性质(空间结构和性状)产生影响。在相同裂解条件下，不同生物质材料来源的生物炭不仅稳定性不同，对污染物的吸附能力、对土壤理化性质的影响亦不同。生物质来源对生物炭性能的影响，原材料中木质素含量越高，制备的生物炭材料中芳香含量和C：N比例越高，与此同时生物炭的矿化度越低。除了生物质原材料种类，裂解温度也是生物炭制备过程中一个非常关键的因素，它不仅能够影响生物炭的产率，还可以控制生物炭的表面结构和吸附性质。生物炭在环保领域的应用已经引起了国内外学者的普遍关注，然而因其具有高温裂解过程中损失部分离子官能团、吸附后固液分离难的不足，已经有学者开始研究将生物炭与其他材料复合，改善生物炭的物理和化学性质，加强其吸附能力。生物炭复合材料的制备通常是在生物质原材料中添加其他材料，再通过高温裂解制备成复合材料。
二、物炭复合材料制备
生物炭复合材料是以生物炭为主，通过物理、化学等方法对生物炭进行修饰改性或者负载一些无机或有机物，从而提高其吸附性能的复合材料。一般而言，生物炭复合材料的吸附能力比生物炭强，主要是由于生物炭被改性修饰或者负载后，生物炭复合材料的比表面积、微孔结构以及吸附位点发生了变化，除此之外，改性剂和负载物本身也会影响生物炭复合材料的吸附性能。
由于生物炭颗粒较小，很难从溶液中分离出来，容易造成二次污染，而且也不利于生物炭的再生和重复利用，所以部分研究者通过磁性剂磁化生物炭。目前，主要运用的赋磁剂有金属单质(Fe、Co、Ni)、金属氧化物(Fe。04、7-Fe203、C0304)和铁氧体(CoFe204、MgFe204)等。
Wang等[363利用共沉淀法制备出生物炭一磁性材料，首先用处理过的桉树叶在400℃下炭化1 h，将炭化产物与ZnCl。混合，然后在700℃下裂解2 h制得生物炭。生物炭过筛(0．1tO．15 mm)后与FeCl3·6H20和FeS04·7H20溶液混合搅拌，再用NaOH调节pH值至10～11，最后经过乙醇和去离子水清洗过滤，在70℃下干燥12 h制得生物炭一磁性复合材料。用同样的方法在不同裂解温度下(450℃、500℃、550℃、600℃和650℃)制备了生物炭一磁性材料，通过电镜扫描表征发现生物炭一磁性材料表面及内部形成均匀致密的孔隙结构，且粒径随着温度的升高而增大，晶体形状主要是八面体和十二面体结构。通过吸附实验表明该磁性生物炭对水中重金属离子Cr6+具有良好的吸附效果，吸附过程符合Elovieh方程，吸附等温模型为Langmuir模型，在650℃下制备出的磁性生物炭材料吸附量为77．54 mg／g吸附性能重新恢复。
三、生物炭及其复合材料吸附重金属的影响因素
1、吸附材料的孔隙结构。生物炭及其复合材料的孔隙结构也会影响吸附材料的吸附能力，主要表现在吸附材料的孔隙结构决定了比表面积的大小，一般而言，吸附材料的比表面积越大，其吸附性能越强。利用KOH改性了水热炭化制备的生物炭，并将改性后的生物炭(HTBC)和未改性的生物炭(HTB)用于吸附水中的重金属Cd2+和Cu2，研究发现HTBC的比表面积为5.01 m2／g，是HTB比表面积的2．4倍；HTBC对Cd2+和Cu2+的吸附能力(Cd抖：34 mg／g，Cu2十：31 mg／g)高于未改性生物炭HTB(Cd2+：1.5 mg／g，Cu2十：4.0 mg／g)。但是，在研究芒草生物炭(BC)和蒸汽活化芒草生物炭(ABC)的理化性质及其对Cu2+的吸附性能时，发现蒸汽活化芒草生物炭的比表面积明显增加(BC：181 m2／g，ABC：322 m2／g)，其吸附性能变化不大。
2、pH值。pH值是影响生物炭及其复合材料吸附重金属离子的重要因素。研究表明，pH值会影响生物炭及其复合材料表面的活性位点，在pH值较低的条件下，H+与重金属阳离子之间会竞争吸附材料表面的活性位点，吸附材料表面官能团会与溶液中H+结合发生质子化作用，吸附材料表面大量的活性位点被H+占据，不利于重金属的去除，在pH值较高的条件下，OH一与生物炭及其复合材料表面的活性位点之间会竞争重金属离子，也不利于重金属吸附。众多研究发现，生物炭及其复合材料对重金属阳离子的吸附量随着pH值增大而增加。研究KOH活化核桃壳生物炭对废水中Cu2+的吸附效果时发现，生物炭对Cu2+的去除能力受pH值的影响很大，pH值在6．0时去除能力最大，吸附容量是42．3 mg／g，随着pH值继续增大，溶液中Cu2+的去除率逐渐下降。通过X射线精细结构分析(XAFS)发现，pH值介于6.0～7．0时，Cu2+被吸附到生物炭表面，形成一个有机配位体；pH值为8．0时，Cu2+与生物炭中的灰分形成Cu附着在生物炭上；pH值为9．0时，Cu2+变成氧化态。同时，研究了pH值对生物炭吸附性能的影响，在pH值为2．5～4．5之间时，生物炭对Cr”的吸附量都随pH值的增大而增大，并且pH值在2.0时吸附效果最好。
生物炭具有比较面积大、来源广泛、价格低廉等优点，在农业和环保领域有广阔的应用前景。为了促进今后的研究和实际应用。目前对生物炭及其复合材料去除重金属的研究多在实验室内模拟，鲜见在应用中的研究，因此，加强生物炭及其复合材料在去除重金属污染物方面的应用研究是未来发展的方向。
参考文献：
［1］佟雪娇，李九玉，姜军．添加农作物秸秆炭对红壤吸附cu(Ⅱ)的影响［J］．生态与农村环境学报，2017(5)：37—41．
［2］于志红，谢丽坤，刘爽．生物炭一锰氧化物复合材料对红壤吸附铜特性的影响［J］．生态环境学报，2018，23(5)：03．