武汉市水务集团有限公司湖北省武汉市430034
摘要：生物炭吸附作为一种重要的污染物去除的高效方法，在水污染治理领域备受关注。为更好地治理水环境污染，通过总结国内外已有研究成果，本文分析了生物炭的吸附机理和吸附性质，并进行了应用研究。
关键词：生物炭；水处理；应用现状；发展前景
引言
生物炭因其特殊的微晶结构、巨大的比表面积、独特的孔隙结构、复杂的表面活性官能团、稳定的化学性能，以及能耐强酸、强碱和高压等特点，在水环境污染治理处理方面发挥着重要作用。生物质废弃物的不当处理不仅是资源的浪费，还可能污染环境，将废弃生物质转化为生物炭应用于污水处理，不仅可以实现生物质的合理处置以及资源化，还可达到“以废治废”的目的。不同来源的生物炭在水处理中的应用对象也不一样，因此，总结不同原材料制备的生物炭的性质差异及其对不同污染物的去除效果，有利于根据污染物种类的不同，选择合适的生物炭。【1】
一、生物炭的定义及特性
（一）生物炭的定义
生物炭是指在低氧环境下，通过高温裂解将木材、草、玉米秸秆或动物粪便等进行碳化，是以固定碳元素为目的。目前，生物炭的制备多采用高温分解法，在400～600℃的高温下将生物质置于缺氧状态下，对其有控制地进行高温慢速裂解。裂解产物除了生物炭外，还包括焦油、裂解气和木醋液等副产品。
（二）生物炭的特性
生物炭无论在低温或高温下都有很好的稳定性，因为生物炭几乎全部由碳元素组成，而且碳原子彼此间具有极强的亲合力。生物炭表面有很多孔洞，其比表面积很大，孔隙大的可以达到750～1360m2/g，孔隙小的也能达到51～138m2/g，生物炭的密度也很小，一般为1.5～1.7g/cm3，容重为0.3～0.7g/cm3，由于这些特性，生物炭可作为吸附剂在水处理中加以应用【1】。
二、生物炭在水处理中的应用现状
（一）生物炭去除水中重金属的研究
以蚕丝被废弃物为原料，在300、500、700℃高温缺氧条件下热解炭化制备成3种生物炭（BC300、BC500和BC700），并研究了不同温度下制备的生物炭对溶液中Cd2+的吸附特性。结果表明：随着炭化温度上升，BET比表面积、pH、灰分均增大，生物炭表面形态结构越来越不规则。Langmuir方程能更好地拟合3种生物炭对Cd2+的吸附等温过程，其最大吸附量分别为25.61、52.41、91.07mg/g。3种生物炭对Cd2+吸附过程均更符合准二级动力学方程，且BC700对Cd2+的吸附效果最佳。
（二）生物炭去除水中硝酸盐的研究
以花生壳为原料，300℃热解条件下制得生物炭。通过批量平衡吸附试验，探索硝态氮（NO3--N）在生物炭表面的吸附机制。结果表明，生物炭对NO3--N的吸附显著受溶液pH值影响，当pH<6时有利于吸附的进行。随溶液初始NO3--N浓度增加，生物炭对其吸附量逐渐增加，在初始浓度800mg/L的吸附体系中，最大吸附量达40mg/g，Freundlich方程可较好地拟合（R2=0.975）生物炭对NO3--N等温吸附过程。
（三）生物炭去除水中有机染料的研究
研究了裂解温度分别为500℃和700℃的两种水稻秸秆生物炭（分别标记为W500、W700）对有机染料日落黄和亚甲基蓝的吸附作用及吸附机制。
结果显示，生物炭对两种染料的吸附均符合准二级动力学方程，等温吸附曲线均可用Freundlich模型较好地描述，但其对两种染料的吸附机制显著不同。在600℃缺氧条件下，热解制得牛粪源生物炭（CBC），采用SEM、FTIR和XRD等分析手段对生物炭理化性质进行表征，并通过静态平衡吸附法研究了CBC对甲基紫的吸附动力学及热力学过程。结果表明，甲基紫的吸附量随着其初始浓度的增加而增大，初始浓度由10mg/L增加到40mg/L，平衡吸附量由5mg/g提高到30mg/g，吸附过程先快后慢，60min后吸附达到平衡。
（四）生物炭去除水中抗生素的研究
利用皇竹草制备成生物炭，同时探讨其对水中磺胺类抗生素的吸附特性。结果表明，在25℃、pH5、皇竹草炭用量分别为8g/L和5g/L、磺胺类抗生素的质量浓度为10mg/L条件下吸附4h，磺胺嘧啶（SDZ）和磺胺氯哒嗪（SCP）的去除率分别能达到93.6%和92.7%。皇竹草炭对磺胺类抗生素的吸附动力学符合二级动力学方程，吸附等温线符合Freundlich方程。【3】
研究了3种热解温度，分别为300℃（S300）、450℃（S450）和600℃（S600）的水稻秸秆生物炭对两种磺胺类抗生素的吸附性能及机制，同时考察了溶液pH值及离子强度对吸附的影响。结果表明，生物炭对磺胺二甲基嘧啶（SM2）和磺胺甲恶唑（SMX）的吸附均符合准二级动力学方程；等温吸附曲线用Langmuir方程拟合优于Freundlich方程，600℃热解的秸秆炭对SM2和SMX的最大吸附量分别可达到2857.1mg/kg和1724.1mg/kg。
（五）生物炭去除水中有机污染物
不同生物炭对不同有机污染物的去除效果具有差异性，笔者总结了一些研究者得到的具体生物炭对相应有机污染物的处理方法和去除率，有机碳对有机物（磺胺嘧啶、芘、磺胺氯哒嗪）的去除率一般在90%以上，这是由生物炭巨大的表面积以及吸附孔体积所决定的，且生物炭对有机物的去除具有较好的效果；利用小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳制备的生物炭去除芘污染物，去除率之间没有明显区别，相对其他生物炭具有较高的有机物去除率；芦苇基与污泥基生物炭同时处理诺氟沙星，芦苇基生物炭具有较好的去除诺氟沙星的效果。
温度和溶液PH值是影响生物炭去除有机物效率的２个重要因素。通过研究２种水稻秸秆生物炭对有机染料日落黄和亚甲基蓝的吸附作用及机制得出：生物炭对２种染料的吸附去除效率均随反应温度的升高（5～45℃）而增大，且在３＜ph＜11及硫酸盐质量浓度25～2500mg/Ｌ的变化范围内，吸附去除效率均保持稳定。以稻壳为原料制备生物炭（RHBC）作为对除草剂的吸附剂，对其吸附性能进行了研究，并在不同热解温度下通过物理化学特征分析进行了测定，结果表明随着热解温度的升高，RHBC表面积大大增加（从2.57m2/ｇ增加到53.08m2/ｇ）。以芦苇和污泥为原料分别制备生物炭，并将其应用到对诺氟沙星的去除，通过实验发现降低溶液PH值有利于诺氟沙星的吸附；通过采用生物炭对含酚废水进行处理，发现其PH值控制在4-6之间有利于提高吸附容量【4】。
三、生物炭作为吸附剂在水处理中的前景展望
不同来源的生物炭对不同的污染物有不同的吸附效果及机理。目前的研究热点主要集中于对重金属、无机盐、有机染料和抗生素的去除，而且均有较好的去除效果。因此，根据研究目的来选择合适的生物炭用于污水处理极具应用前景。
结语
生物炭是一种高效价廉的环保材料，对水体中的多种有机物和重金属都具有良好的吸附效果。不同生物炭对于特异性污染物质去除效率有所区别，且生物炭制备过程及吸附条件是调控生物炭吸附效率的关键因素。合适的改性剂能够改善生物炭的吸附性能。
参考文献：
[1]鲁秀国，杨凌焱，黄林长，过依婷.非粮生物质吸附剂吸附水中氨氮的研究进展[J].华东交通大学学报，2018，35（01）：90-96.