生物炭材料在水体有机污染治理中的研究进展

随着工农业的发展,大量有机物被排入水体,造成水生生态系统严重破坏。生物炭及其改性材料以其优良的理化特性,在水处理中发挥着越来越重要的作用。该文分别从去除机理、影响因素、改性方法等方面进行了总结分析,对在应用过程中存在的问题进行了探讨,指出低成本高吸附性能新型生物炭的研发、生物炭与催化剂及微生物联合应用技术的深入研究以及生物炭对新型污染物去除机理研究等将会成为今后生物炭在污染治理领域的研究重点。通过对生物炭及其改性材料在水体有机污染处理中研究进展的综述,以期为生物炭及其改性材料在水处理中的应用提供有价值的借鉴和参考。     

原料和制炭方式对生物炭吸附抗生素的影响

为研究原料和制炭方法对生物炭吸附抗生素性能的影响,选取芦苇、棉杆和竹柳,经限氧和曝氧法制备得到生物炭,研究其对土霉素（OTC）和磺胺甲恶唑（SMX）的吸附性能及其吸附机理.研究发现：物源特征和制炭方法共同决定了生物炭对抗生素的吸附功效.芦苇和棉秆宜采用限氧法制备成炭,竹柳宜采用曝氧法制备成炭;整体上以曝氧竹柳炭对抗生素的吸附性能最优,单一浓度（50mg/L）下,其对OTC和SMX的吸附量分别为11.98和10.12mg/g.批吸附实验和傅里叶变换红外光谱分析表明,π-π EDA相互作用是竹柳炭吸附抗生素的主要机理.静电吸引有助于高pH值下曝氧竹柳炭对OTC的吸附,而孔隙填充可能对曝氧竹柳炭吸附SMX起到促进作用.曝氧竹柳炭对抗生素的吸附性能优于其他炭品,是去除水体抗生素的优选材料.     

改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附

700℃热解温度下制备大豆秸秆生物炭,并利用酸、碱、氨基修饰和铁磁化4种方法对其进行改性,比较4种改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附性能及机制,同时考察溶液pH值、温度和添加量对吸附效果的影响,并探讨了改性大豆秸秆生物炭在提高土壤对咪唑乙烟酸吸附固定能力中的应用效果.结果表明,在pH值为2~4的酸性环境中,改性大豆秸秆生物炭吸附效果更好;相对于其他3种方法,铁磁化改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸具有更好的吸附性能,吸附符合准一级动力学模型和Langmuir模型,且Langmuir模型拟合结果表明其对咪唑乙烟酸的最大吸附量可达338.785mg/g;添加1%铁磁性改性大豆秸秆生物炭的土壤对咪唑乙烟酸吸附量提高为对照组的2.37倍.     

改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附

700℃热解温度下制备大豆秸秆生物炭,并利用酸、碱、氨基修饰和铁磁化4种方法对其进行改性,比较4种改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸的吸附性能及机制,同时考察溶液pH值、温度和添加量对吸附效果的影响,并探讨了改性大豆秸秆生物炭在提高土壤对咪唑乙烟酸吸附固定能力中的应用效果.结果表明,在pH值为2~4的酸性环境中,改性大豆秸秆生物炭吸附效果更好;相对于其他3种方法,铁磁化改性大豆秸秆生物炭对咪唑乙烟酸具有更好的吸附性能,吸附符合准一级动力学模型和Langmuir模型,且Langmuir模型拟合结果表明其对咪唑乙烟酸的最大吸附量可达338.785mg/g;添加1%铁磁性改性大豆秸秆生物炭的土壤对咪唑乙烟酸吸附量提高为对照组的2.37倍.     

改性生物炭对水体中头孢噻肟的吸附机制

采用液相浸渍方法制备3种改性生物炭,采用红外光谱、扫描电镜、比表面积测定仪和元素分析仪等手段表征生物炭表面结构形貌和组成.以头孢噻肟为探针分子,考察改性生物炭对头孢噻肟的吸附性能及吸附影响因素,并探究其吸附机理.结果表明,30min时碱改性生物炭（BC-NaOH）对头孢噻肟的吸附率为83%,符合伪二级动力学方程（R²>0.99）,吸附率显著大于其他几种材料.热力学研究表明,BC-NaOH吸附头孢噻肟是自发放热过程.基于反应热力学及吸附率影响因素分析,得出BC-NaOH吸附头孢噻肟的机理是疏水亲和作用和静电引力.     

化学改性生物炭介导水中新污染物去除的研究进展

新污染物是一类浓度相对较低但毒性很高的污染物，可以在生物体内富集，并通过食物链转移到人体，对环境生态和人体健康都构成很大威胁。此外，新污染物在环境中的危害具有潜在性、隐蔽性和持久性，因此选择适当的方法对新污染物进行风险管控具有重要的现实意义。在我国推行“双碳行动”的大背景下，人们对生物炭吸附去除新污染物产生了广泛的研究兴趣。然而，需要注意的是，原始生物炭在许多应用中存在局限性，例如吸附能力弱、选择性差、化学稳定性较低等。因此，有必要对生物炭进行改性，以提高其在水污染处理中的应用。目前，生物炭改性方法中，化学改性是最为广泛应用的一种方法。本文介绍了三种常见的化学改性方法，包括酸改性、碱改性以及金属盐/氧化物改性，并阐述它们提高生物炭物理化学性能的机制。此外，还分析了化学改性生物炭介导新污染物去除的增效机制，主要涉及吸附和高级氧化过程。总结了近五年来化学改性生物炭对药品及个人护理产品(PPCPs)、内分泌干扰物(EDCs)、全氟化合物(PFCs)和微塑料(MPs)等典型新污染物去除方面的研究进展。最后，本文提出了化学改性生物炭介导新污染物去除的未来探索方向，旨在为水中新污染物的绿色高效去除...     

壳聚糖改性生物炭的制备及其对水溶液中Cd2+的吸附机制

以猕猴桃枝为原料,壳聚糖作为胺基表面改性剂,制备了一种绿色环保、对环境中重金属有良好吸附效果的功能性生物炭材料.采用批量吸附实验研究了改性前后生物炭的吸附性能.借助SEM-EDS、FTIR 和XPS表征方法,分析了改性前后生物炭的形貌结构和官能团变化,探究了其对溶液中Cd²⁺的吸附机制.结果表明,改性后的生物炭表面,引入了羟基（—OH）、羰基（—C=O）和氨基（—NH₂）等基团,显著提高了吸附性能,对Cd²⁺的吸附量较改性前增加107.12%.Lagergren准二级动力学模型和Langmuir等温吸附方程能较好地描述吸附过程,说明吸附速率由材料表面活性位点决定,吸附过程以化学吸附为主.对Cd²⁺的吸附机制主要是配位作用、表面沉淀作用、离子交换作用和阳离子—π键作用,吸附过程为自发的吸热过程.经过5次吸附-解吸循环后,改性后生物炭对Cd²⁺的吸附容量仍保持在初始吸附量的80%以上,表现出良好的可重复利用性.研究成果体现绿色化学的理念,所制备的壳聚糖改性生物炭可应用于镉污染水体和土壤的修复.     

改性多孔生物炭的制备及其对水中四环素的吸附性能研究

以常见的农业废弃物玉米秸秆为原料,以NaHCO_3和三聚氰胺为活化剂,一步碳化活化制备得到了一种改性多孔生物炭,研究了其对模拟四环素(TC)废水的吸附行为,同时采用SEM、XRD、Raman、FTIR、BET和元素分析对材料进行表征分析.探究了热解温度、三聚氰胺添加量、吸附剂投加量、反应时间、初始浓度、环境温度和pH对改性多孔生物炭去除水溶液中TC的影响.相比于原始生物炭(C800),改性后的秸秆生物炭(MPC800-10)对TC拥有更优异的吸附能力,能在短时间内快速高效地去除TC.由表征结果可知,同时添加NaHCO_3和三聚氰胺得到的改性多孔生物炭(MPC800-10)相对于原始生物炭(C800)比表面积更大,孔结构更丰富,芳香性增强,且亲水性和极性也有所增大,表面官能团更丰富,含氧官能团增加.MPC800-10对TC的吸附更符合Pseudo-second-order动力学模型和Freundlich等温吸附模型,且最大吸附量达到347 mg·g~(-1).热力学分析表明MPC800-10对TC的吸附是一个自发、吸热的过程.在酸性和中性条件下MPC800-10对TC都有较好的吸附能力,且具有一定的抗离子干扰能力和良好的再生性能.本研究将为农田废弃物的资源化利用及废水中抗生素的污染治理奠定坚实的基础.     

酸碱改性生物炭对水中磺胺噻唑的吸附性能研究

以马铃薯茎叶为原料,采用限氧裂解法制备生物炭,通过H2SO4和KOH处理制备酸、碱改性生物炭.应用比表面积法(BET)、扫描电镜(SEM)和红外光谱(FTIR)研究了改性前后3种生物炭的结构与性质,并通过单因素实验研究了吸附时间、温度、磺胺噻唑初始浓度、p H值等因素对原始及酸碱改性3种生物炭吸附磺胺噻唑效果的影响,初步探讨了吸附机制.结果表明,3种生物炭对磺胺噻唑的吸附行为符合准二级动力学方程;酸改性生物炭对磺胺噻唑的吸附等温线符合Temkin模型,原炭和碱改性生物炭的吸附等温曲线符合Freundlich模型.酸改性极大的提高了生物炭对磺胺噻唑的吸附能力,最大吸附量为7.69 mg·g-1,是原炭吸附量的2.4倍;溶液p H对3种生物炭吸附磺胺噻唑影响不明显.热力学研究表明,酸改性生物炭对磺胺噻唑的吸附为自发的吸热反应.FTIR分析表明,酸改性生物炭表面有更多含氧官能团,为磺胺噻唑的吸附提供了吸附点.氢键、范德华力及偶极距力作用对生物炭吸附磺胺噻唑起到主要作用.     

铁修饰生物炭的制备及在砷污染土壤修复中的应用

生物炭因具有较大的孔隙度、比表面积以及较强的吸附能力等优点,在环境污染修复、土壤改良和固碳方面应用广泛.由于大多数生物炭表面带有负电荷,而土壤中的无机砷主要以砷酸盐和亚砷酸盐等阴离子形式存在.因此,生物炭对砷的吸附效率通常较低,需要对生物炭进行改性以提升其对砷的吸附效果.零价铁和氧化铁等铁基材料对砷吸附能力强且来源广泛,通过沉淀法、热解法、球磨法和微生物法等方法将铁基材料与生物炭负载形成铁修饰生物炭,可将二者的优良特性相结合,拓展生物炭材料在环境修复中的应用.在对近年来有关铁修饰生物炭的文献进行系统分析的基础上,综述了常见的铁修饰生物炭的制备方法,比较分析了生物炭基底、铁修饰材料以及两者对砷的协同作用机制,并简要阐述了铁修饰生物炭在土壤污染修复中的应用现状,最后对铁修饰生物炭的未来研究方向提出了展望.     

硫脲改性猪粪生物质炭对模拟农田径流中镉和草甘膦吸附特征

为同时去除农田地表径流中的重金属和农药,利用猪粪制备未改性猪粪生物质炭（简称"未改性生物质炭"）和硫脲改性猪粪生物质炭（简称"改性生物质炭"）,分析比较硫脲改性对生物质炭的pH、元素组成、表面含氧官能团和巯基含量等理化性质的影响,并系统地研究了单一和复合污染体系中初始浓度对两种生物质炭吸附水溶液中镉（Cd）和草甘膦效率的影响.结果表明:①与未改性生物质炭相比,改性生物质炭的pH、O/C（原子比）和H/C（原子比）降低,比表面积增大,含氧官能团和巯基含量增加.②与未改性生物质炭相比,改性生物质炭对Cd和草甘膦的吸附能力增强,最大表观吸附量（Q_max）增加了近3倍;随着Cd和草甘膦初始浓度的增加,未改性和改性生物质炭对Cd和草甘膦的吸附量逐渐增加,增加量最高分别达18.52%和7.60%.③单一污染体系中两种生物质炭对Cd或草甘膦的吸附更符合Langmuir等温吸附模型,说明其对Cd或草甘膦的吸附机理是单分子层的吸附起主导作用.④复合污染体系中,未改性和改性生物质炭对Cd的吸附能力分别增加了25.28%和21.26%,未改性生物质炭对Cd的最大表观吸附量增加了29.34%,但改性生物质炭对Cd的最大表观吸附量降低了47.28%;未改性和改性生物质炭对草甘膦的吸附能力减弱,但最大表观吸附量分别增加了2.63和3.45倍.研究显示,硫脲改性猪粪生物质炭作为一项有前景的新技术,为解决实际环境中的复合污染问题提供了经济环保的技术手段.      

不同改性生物炭对农田土壤理化性质及铅、镉钝化的影响机制研究

改性生物炭是良好的重金属钝化剂。但针对不同生物炭,联合多种方法进行改性后生物炭的吸附性能尚待深入研究,其对土壤理化性质和重金属铅(Pb)、镉(Cd)长期钝化效果的影响也有待研究。选取水稻秸秆、木屑和椰壳为生物炭材,经硝酸-高锰酸钾联合改性后进行表征,明确改性前后生物炭理化性质。开展室内培养实验,将改性生物炭按质量比为2.5%、5%和10%加入受试土壤,培养6个月后,测定土壤理化性质、Pb、Cd形态分布及钝化效率,探讨改性生物炭钝化土壤Pb、Cd的作用机制。结果表明：改性后,不同生物炭的比表面积、孔隙结构和含氧官能团数量均得到不同程度的改善,重金属吸附性能有效增强,以改性椰壳炭最为显著。添加改性生物炭能提高土壤pH并改善土壤结构,当其用量>5%时,土壤阳离子交换量和有机质含量分别提高了15.89 g/kg和5.28 cmol/kg,土壤自身对养分及重金属的固定能力得到了显著提升。改性生物炭-土壤体系主要通过离子交换、络合反应和共沉淀反应等促使土壤有效态Pb、Cd向其潜在活化形态和残渣态转化,转化程度与钝化培养时间和改性生物炭用量呈正相关。受元素特性和竞争吸附作用的影响,土壤Pb     

腐殖酸定向修饰Ce-Co铁基生物焦汞吸附机理

使用腐殖酸对铁基改性生物焦进行定向修饰,并借助固定床吸附装置考察改性后生物焦汞吸附性能,探究了不同腐殖酸负载量下的铁基改性生物焦的汞吸附能力.采用BET、XPS、FTIR表征手段,考察了定向修饰后生物焦的孔隙结构、表面元素价态及表面功能基团的组成,通过SEM扫描电镜探究生物焦微观形貌,并利用EDS能谱分析生物焦表面活性金属成分分布.结果表明,使用腐殖酸对铁基改性生物焦定向修饰后的生物焦汞脱除性能大幅提高,使用5%质量分数包裹后的生物焦汞脱除性能最高,3h单位累积汞吸附量为18025ng/g,相较于未被修饰的铁基改性生物焦汞吸附性能提高65%;负载腐殖酸后的生物焦以介孔为主,表面活性金属种类丰富,有利于单质汞的氧化;样品表面羧基、醇羟基等含氧官能团数量增加,定向修饰后生物焦表面出现大量氨基等利于重金属吸附的含氮官能团;定向修饰后的生物焦表面出现团聚现象,包裹量过高会将生物焦表面活性位点完全包裹,阻碍了氧化还原反应的进行,不利于汞的进一步氧化;汞在生物焦表面的吸附过程同时存在化学吸附与物理吸附.     

盐酸改性松木屑生物炭吸附海洋溢油的模拟研究

海洋石油开采和运输过程中发生的溢油事故会对周边海洋生态环境造成严重威胁。以松木屑为原料,分别在300 ℃、400 ℃和500 ℃条件下,热解2 h制备生物炭,然后用盐酸对其改性,分析了改性前后生物炭对海水中石油的吸附性能。结果表明,热解温度和盐酸浓度对生物炭吸油性能的影响较显著,当热解温度为400 ℃、盐酸浓度为5 mol/L时生物炭对海水中石油的吸附量最大,达到1.96 g/g;改性后的生物炭比表面积和总孔容减小,表面官能团种类未发生明显改变,含氧官能团数量减少;改性生物炭对海水中石油的吸附符合准二级动力学方程（R2=0.998）和Freundlich等温模型（R2>0.999）。研究结果将有助于开发经济、环保和除油效率高的海洋溢油吸附材料。     

溶磷微生物改性生物炭吸附重金属的机理研究

利用磷溶菌（PSB）对稻壳（RB）和污泥（SB）生物炭进行不同时间的改性,研究了其对水体中Pb²⁺和Cd²⁺（1000mg/L）的修复机制.主要通过测定改性生物炭的理化特性和重金属含量,并利用结构方程模型研究了微生物改性生物炭对重金属的吸附机理.结果表明,PSB显著改善生物炭的孔径结构、比表面积BET （增加了12.5%~175.0%）和表面官能团.特别是还增加了生物炭中C和P元素的释放,促进了生物炭表面的生物矿化机制.PSB改性显著提高了生物炭对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附作用（RB提高：Pb²⁺=9.5%~34.5%,Cd²⁺=34.7%~219.9%,SB提高：Pb²⁺=65.3%~101.3%,Cd²⁺=106.6%~248.6%）.通过Pb和Cd的修复差异,发现不同重金属对微生物的胁迫是导致改性生物炭对重金属的修复反应路径相反的原因.此外,结构方程模型证实6~12h的PSB改性效果最好,且BET不是主要影响因素.不同的生物质炭改性后的修复机制也存在明显差异,孔径结构（R_max²=0.99）是改性RB的主要吸附途径,化学沉淀（R_max²=0.99）是改性SB的主要吸附途径.     

酸碱改性对生物炭吸附Cr(Ⅵ)性能的影响

生物炭因具有原料来源广泛、表面活性官能团含量丰富、性质稳定等特点,近年来,在环保领域作为重金属处理吸附剂受到越来越多的重视。使用松木屑在碳化温度为400 ℃条件下制备生物炭(简称AB400),并使用HNO₃、H₃PO₄、NH₃·H₂O、Ca(OH)₂对生物炭进行改性。借助SEM、FTIR、BET、Boehm滴定法和Zeta电位测定等方法对改性前后AB400表征,并进行Cr(Ⅵ)吸附实验。改性后生物炭结构呈半穿透至穿透状圆形塌陷,存在微孔。酸性改性条件下,HNO₃改性生物炭(简称AB400HNO₃)、H₃PO₄改性生物炭(简称AB400H₃PO₄)中酸性官能团含量均有所升高,且生物炭pH均减小,其对应pH_pzc增大,而碱改性的生物炭则反之。对于Cr(Ⅵ)的吸附,酸性改性生物炭在整体上的吸附效果优于碱性改性生物炭,其中AB400H₃PO₄吸附效果最佳,吸附容量从58.48 mg/g提高至101.82 mg/g。这是因为碱性改性生物炭表面为负电荷,与Cr(Ⅵ)的含氧阴离子相斥;而AB400HNO₃微孔容积较小,圆形塌陷数量甚微,表面虽正电荷,但吸附性能不及AB400H₃PO₄。     

Al改性柠条生物炭对P的吸附特性及其机制

为高效利用生物质能源,以常见农林废弃物柠条为原料,在650℃、3h条件下,采用限氧热裂解法制备生物炭,通过直接修饰法用Al改性柠条生物炭,进行批量吸附P实验.利用4种等温吸附模型（Langmuir、Freundlich模型、Temkim、D-R模型）和4种吸附动力学模型（准一级动力学、准二级动力学、Elovich模型、颗粒内扩散模型）以及pH值、添加量影响试验,探讨Al改性生物炭对P的吸附特性.同时,使用FTIR红外、元素分析、SEM和比表面积及孔径分析等技术表征了生物炭的理化性质,揭示了Al改性生物炭对P的吸附机理,并对比了多种改性生物炭对P的吸附效果.结果表明：柠条生物炭（NB）对P的吸附量很低,Al改性柠条生物炭（Al-NB）最佳改性比例为0.2：1,对P的吸附量是NB的8.35倍.Langmuir模型能够很好的描述Al-NB对P的等温吸附过程;Al-NB对P的吸附动力学符合准一级动力学模型,说明其吸附通过边界扩散完成的单层吸附.Al-NB对P的理论最大吸附量为19.97mg/g,平衡时间为24h.随着添加量的增大,Al-NB对P的吸附量不断减小,去除率逐渐增加,2.5g/L为最佳添加量;最适pH为4～10,当pH=7时,达到最大;吸附P后,溶液的pH值向中性范围倾靠,有一定缓冲作用.吸附机理包括：静电吸附作用,配体交换（羟基）,P与阴离子（NO₃^-）交换,颗粒内表面络合作用等.以期为水体富营养化治理提供科学依据.     

针铁矿改性生物炭的制备及对Cr (Ⅵ)的吸附性能研究

在不同热解温度及原料配比条件下,采用水解共沉淀方法制备针铁矿改性生物炭材料（GMB）,借助SEM-EDS、XRD、FTIR、XPS进行表征,并进行Cr （Ⅵ）吸附实验,探究吸附性能和机理。结果表明:1）经改性后生物炭表面生成了羟基氧化铁（FeOOH）,吸附能力有大幅提升;2）热解温度为600℃,生物炭与Fe （NO₃）₃·9H₂O的质量比为1:12时制备的GMB600-12表现出最佳吸附性能,最大吸附容量为20.67 mg/g;3）准二级动力学揭示Cr （Ⅵ）的吸附以化学吸附为主,Langmuir和Freundlich模型都能很好地描述GMB对Cr （Ⅵ）的吸附特征;4） XPS的结果进一步表明GMB去除水溶液中Cr （Ⅵ）是氧化还原和表面吸附协同作用的结果。     

生物炭吸附硫化氢机制与影响因素研究进展

硫化氢（H₂S）是现代社会工业生产过程中最常见的气体污染物之一,具有高毒性、腐蚀性和污染性,若处理不当会对自然环境与人类健康造成危害.生物炭因具备良好的吸附特性以及低成本和制备来源广等优点,在环境污染治理领域有着广泛的应用前景.目前生物炭吸附硫化氢技术在国内外受到越来越多的关注,但影响生物炭吸附硫化氢的因素复杂多样,需要对相关知识和研究进展进行系统地总结和归纳.从生物炭特性、吸附影响因素（生物质原料、热解温度、热解停留时间、粒径）、调控手段（包括湿度、吸附温度、吸附操作条件、改性活化）以及吸附硫化氢机制,对国内外生物炭吸附硫化氢的研究进展进行综述,通过选择合适的生物炭原材料、制备条件和优化生物炭吸附条件,从而为实现生物炭对硫化氢的高效去除提供更多的参考信息.