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生物炭在环境科学中的应用

发表时间：2020/10/20 来源：《基层建设》2020年第19期作者：梁蓓刘强强王雪峰

[导读] 摘要：生物炭因其物理、化学性质独特，具有比表面积大、微孔结构多、表面活性强，可有效去除水体中的多种污染物。

        宝鸡创威水务有限责任公司
        摘要：生物炭因其物理、化学性质独特，具有比表面积大、微孔结构多、表面活性强，可有效去除水体中的多种污染物。本文综述了秸秆制生物炭的炭化方法和改性方法，以及生物炭在吸附水体中氨氮、金属离子、有机物的应用进展。
        关键词：生物炭；秸秆；改性；吸附；污染物
        生物炭多由秸秆、污水处理厂活性污泥加热炭化制成，秸秆因产量大、分布广、价格低等特点，成为了制备生物炭的主要原料。但秸秆资源在传统应用中存在较多限制因素，如：分布广却不集中，不便于运输存储；种类多，成分、纤维结构也存在较大差异等，这使得秸秆利用难度大。所以，对秸秆资源的低价、有效利用的研究迫在眉睫。
        1生物炭
        目前，木炭在我国的大部分地区仍然是不可替代主要的燃料，木炭多由木材烧制而成，需要砍伐大量树木，且利用率低。所以将农作物秸秆回收炭化，在各方面都有着重大意义。
        1.1 生物炭制备
        炭化秸秆物理性能独特，可用于废水中污染物吸附，且燃烧热值大，所以秸秆的炭化引起广泛研究。近年来国内外有大量以稻秆、玉米秆、花生壳等秸秆为原料制备活性炭的研究。
        Kum Kim认为任何碳含量高而有机物含量低的物质都可以作为制炭的原料，秸秆就符合这一条件。秸秆的炭化分为两步，首先在某一特定高温下厌氧炭化，最后再将生物炭改性，产品的最终特性取决于制造过程[1]。张继义等人在不同温度下以小麦秸秆为材料制备生物炭发现，在200～500℃范围内，制备的吸附剂产率高、能耗小，且随温度升高，吸附速率越快，达到平衡时间越短[2]。另有研究将稻杆分两步炭化，先在氮气中900℃加热预处理1小时，再以800℃进行完全炭化，经过预炭化的生物炭的比表面积和微孔体积都要大大提高[3]。
        1.2 生物炭活化及改性
        目前，活性炭的活化及改性方法有：化学法、物理法。
        物理活化法是将秸秆在水蒸气、二氧化碳或空气等氧化性气体中高温炭化。物理活化的主要作用是开孔、扩孔、生成新孔[4]。化学活化法是用氯化锌、磷酸等化学活化剂浸泡，在无氧环境或惰性气体中进行炭化，使氢和氧从秸秆中清除[5]。活化剂种类、浓度、浸泡时间、活化温度、活化时间都会影响谈话秸秆的特性。
        2 生物炭在环境科学中的应用
        由于生物炭具有很高的比表面积和大量的活性基团，如羟基、羧基、氨基等，吸附性强，对废水中的氨氮、金属离子、有机物等可以达到良好地去除效果。
        2.1 生物炭吸附氨氮
        氨氮是引起水体富营养化的主要原因，氨氮废水的处理方法有物理化学法、化学法、生物法、吸附法。
        王爽等研究了玉米生物炭吸附水体中的氨氮，发现吸附效果受温度、振荡时间、pH值的影响[6]。为了比较生物炭、粉煤灰和炉渣对水体中氨氮的吸附性能，张慧实验证明，对氨氮的吸附容量和吸附率由大到小依次为：粉煤灰、生物炭、炉渣，且吸附容量都随着吸附剂投加量的增加而减小；生物炭吸附率随着吸附剂投加量和pH 值的增加而增大，三种物料对氨氮的吸附容量受 pH 的影响很小[7]。谢永等发现生物炭与改性粉煤灰的质量比为1.25:3.0时，吡唑酮废水中的铵盐去除率可以达到最大值[8]。任杰研究了玉米生物炭经硝酸改性后吸附废水中的氨氮，在5min内即可进行有效吸附，吸附平衡时间缩短至未改性的一半[9]。
        2.2生物炭吸附重金属离子
        重金属可以通过食物链从环境中进入人体，影响人体生理功能、危害人类健康，有大量文献证明稻壳、花生壳、甘蔗渣、大豆壳、玉米秆等制成的生物炭对铬、铅、镍、铜、镉、锌都有很好的吸附性。例如：直接经过燃烧制成的稻壳炭，对镉、锌、镍具有较高的吸附去除能力[10]。将稻壳以5℃/min的速度加热到600℃保持6h制成的炭，每克可吸收铅76.3mg[11]。

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        2.3生物炭吸附有机物
        有机物在自然水体中会消耗水体溶解氧，一部分有机污染物具有致突变、致畸和致癌特性，有些有机物难生物降解，含有机物的水体需要经过处理才能排放,由于商品化活性炭价格高，所以生物炭成为有机废水处理的理想吸附剂。
        关于生物炭的吸附作用，研究表明：花生秸秆在350℃下加热4h后，可吸附亚甲基蓝129.9mmol/kg[12]。稻杆在200℃预氧化2h，（NH4）2HPO4改性24h，700℃下炭化后，每克可吸附苯酚187.7mg、亚甲基蓝166mg[13]。经300～700℃炭化，硝酸改性的芝麻杆对亚甲基蓝、多环芳烃的吸附率可达434mg/g[14]。
        3 展望
        近年来，秸秆在环境方面的应用有了突飞猛进的发展，尤其是改性后的生物炭，成为了研究热点，引起了广泛关注。研究证明，生物炭可以运用于废水污染物的处理及某些物质的回收利用。但是，生物炭在环境中的应用仍有待于人们的开发。
        参考文献
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        [2]张继义,蒲丽君,李根.秸秆生物碳质吸附剂的制备及其吸附性能[J].农业工程学报,2011,27:104～108.
        [3]Yun CH, Park YH, Park CR. Effects of pre-carbonization on porosity development of activated carbons from rice straw [J]. Carbon, 2001, 39: 559-566.
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        [7]张慧,代静玉,李辉信.炭化秸秆对水体中氨氮和磷的吸附性能及其与粉煤灰和炉渣的对比[J].农业环境科学学报,2009,28(11):2389.
        [8]谢永,高志凤,周宝忠,章润润,刘彬.炭化秸秆与改性粉煤灰联合吸附吡唑酮废水中铵盐[J].水处理技术,2012,38(3):16.
        [9]任杰.改性秸秆碳黑和膨化秸秆吸附去除废水中氨氮的研究[D].重庆:西南大学2010.
        [10] Srivastava VC, Mall ID, Mishra IM. Characterization of mesoporous rice husk ash (RHA) and adsorption kinetics of metal ions from aqueous solution onto RHA [J]. Journal of Hazardous Materials B, 2006, 134: 257-267.
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        [13]韩彬.稻草秸秆基活性炭的制备与应用[D].上海:东华大学,2008.
        [14]何娇,孔火良,高彦征.表面改性秸秆生物质环境材料对水中PAHs的吸附性.