改性生物炭在Cd(Ⅱ)污染修复中的研究进展

水溶液以及土壤中Cd(Ⅱ)污染会导致水产品、农林产品中Cd(Ⅱ)富集,对人体健康造成严重损害。生物炭是在低氧条件下加热生物质而产生的富含碳的多孔固体,被认为是环境友好的吸附剂,广泛应用于Cd(Ⅱ)的去除中。为了提高生物炭的安全性、高效性以及可重复性,选择对生物炭进行改性处理,改性后的生物炭相比原始生物炭具有更大的比表面积和更丰富的表面官能团,在对Cd(Ⅱ)的去除中更具优势。因此,该文综述了近10年改性生物炭对水溶液以及土壤中Cd(Ⅱ)的去除研究,主要包括不同改性方法对Cd(Ⅱ)的去除效果以及相关机理,并且对未来的研究方向进行了展望。     

不同热解温度生物炭对 Cd(Ⅱ)的吸附特性

以花生壳和中药渣为原料,分别于300、350、400、500、600℃下慢速热解制备生物炭,并表征其物理化学性质.研究不同p H、吸附时间和Cd(Ⅱ)浓度下生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附特征.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭的碳化程度增加,比表面积增大,含氧官能团数量减少,π共轭芳香结构更加完备,Ca和Mg等无机元素不断富集,矿物溶解性降低,导致了Cd(Ⅱ)在不同热解温度生物炭上吸附能力及机制的差异.随溶液p H的升高(2.0~6.0),生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附量逐渐增加.吸附过程可分为快吸附和慢吸附两个阶段,吸附速度受膜扩散、颗粒内扩散和沉淀作用、离子交换等过程的控制.随热解温度的升高,快吸附在生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附中所占比例逐渐降低.高温生物炭(≥500℃)中含氧官能团的锐减及难溶晶体矿物的形成降低了其对Cd(Ⅱ)的快吸附速率.沉淀和离子交换可能是低温生物炭(≤400℃)吸附Cd(Ⅱ)的主要机制;高温生物炭(≥500℃)中更完备的π共轭芳香结构增加了Cd-π作用对吸附的贡献,而难溶磷酸盐和碳酸盐的形成则降低了沉淀作用对吸附的贡献.这些研究结果为筛选对Cd(Ⅱ)具有高效去除或固持能力的功能生物炭(designer biochar)提供了重要的理论数据.     

改性污泥基生物炭的制备及其对Cd2+的吸附特性研究

为了提高废水中Cd~(2+)的去除效率并获得高效、低成本吸附剂,以市政污泥为原料,在300℃和500℃条件下限氧热解制备生物炭(BC300和BC500)并用NaOH进行改性(NC300和NC500)。通过元素分析、扫描电镜和傅里叶红外光谱等方法对污泥基生物炭进行表征,运用吸附动力学和吸附等温线系统研究了改性前后污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附特性。结果表明:与未改性的污泥基生物炭相比,改性污泥基生物炭的极性降低,疏水性增强;碱改性炭表面具有更多的-CH_2-,C=O和C-O等官能团,有利于水体中Cd~(2+)的吸附; 4种污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附过程符合准二级动力学方程和Freundlich等温吸附模型,NC300和NC500对于Cd~(2+)的最大平衡吸附量较改性前分别提高了2倍和1.1倍。     

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.     

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.     

改性水稻生物炭对水体中Sb(Ⅲ)的吸附

采用铁、锰对水稻秸秆生物质碳(BC)进行改性,将制备所得的锰改性生物碳(Mn-BC)和铁锰改性生物碳(Fe-Mn-BC)作为吸附剂,用于对水中Sb(Ⅲ)的吸附实验.通过全自动比表面积及孔隙度分析仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)对吸附剂的表面性质进行研究,在吸附最佳pH值和投加量条件下开展等温吸附、动力学吸附及体系...     

改性生物炭对水环境中抗生素类药物的吸附研究进展

由抗生素滥用引起的药物污染对人类健康和生态系统构成潜在威胁。吸附法是去除水环境中有机污染物的最有效方法之一。生物炭作为一种廉价高效的吸附材料,改性可使其吸附性能显著提升,改性生物炭对抗生素的吸附特性及机理被广泛研究和应用。在对生物炭制备及其改性方法进行回顾的基础上,系统论述了改性生物炭对典型抗生素药物的吸附性能及机制等方面的研究进展,并对生物炭的再生及其经济性进行分析,以期为新型高效生物炭的吸附机制和材料研发提供借鉴。     

硫改性牛粪生物炭对Hg2+的高效吸附及其机理

以牛粪为原料在400,500,600 ℃条件下限氧热解制备牛粪生物炭(BC),然后以不同质量比将升华硫和BC混合共热解制备硫改性牛粪生物炭(BCS)。使用元素分析仪、SEM、FTIR、XPS和BET对制得的BC和BCS进行了表征,并研究了各BC和BCS对Hg2+的吸附特性。结果表明:热解过程使BC和BCS变得粗糙多孔,Hg2+被吸附到生物炭表面和孔道内;BC和BCS的吸附过程符合准二级动力学模型,BCS对Hg2+的吸附平衡时间仅为30 min,且吸附过程不受pH影响;Langmuir模型可较好地描述BC吸附过程,吸附量随热解温度的升高而降低,BCS吸附过程符合Freundlich模型,吸附能力较BC显著提升,最大拟合吸附量达到407.81 mg/g;BCS的吸附稳定性较高,在各解吸剂中的解吸率均低于5%;BC主要吸附机理为官能团络合,BCS主要吸附机理为HgS沉淀。因此BCS是一种高效稳定的Hg2+吸附材料。     

改性菱角壳生物炭吸附水中土霉素性能与机理

以菱角壳为原料,乙酸钾为活化剂,通过活化碳化一步法制备了改性生物炭(MBC),对其表面形貌、孔径分布、官能团等表面性能进行了表征,并研究了其对水中盐酸土霉素(OTC)的吸附去除行为.相比于热解生物炭(BC),MBC有更高的比表面积(1147.80m2/g)、更丰富的孔径结构,更多的含氧官能团和更强的亲水性.溶液pH值在...     

改性生物炭对水中Cr(Ⅵ)的去除研究进展

生物炭因其具有比表面积大、孔隙发达、表面官能团丰富等特点而广泛应用于水中Cr(Ⅵ)的去除。但是,生物炭对水中Cr(Ⅵ)的去除效果并不理想,而且回收困难,所以限制了生物炭在含Cr(Ⅵ)废水中应用。近年来,研究发现通过酸碱、金属、金属氧化物、有机化合物和纳米材料等对生物炭进行改性,增大了生物炭的比表面积,提高了含氧官能团的比例,引入了新的金属颗粒,从而提高了生物炭对Cr(Ⅵ)的去除能力。文章根据目前的研究现状,综述了改性生物炭对水中Cr(Ⅵ)的去除作用,并比较了不同改性方法对Cr(Ⅵ)的作用效果差异,同时归纳了改性生物炭与Cr(Ⅵ)的相互作用机制及其影响因素。最后,展望了改性生物炭未来的的研究方向,以期望改性生物炭得到更好的应用。     

改性芦苇生物炭对水中低浓度磷的吸附特征

为吸附处理低浓度含磷废水和实现芦苇资源化利用,将湿地植物芦苇制备成生物炭,通过负载氯化铁进行改性,探究了改性芦苇生物炭对水体中磷的吸附特征.结果表明,改性后芦苇生物炭的含铁量为11.98 mg·g~(-1),是改性前的44.7倍;改性芦苇生物炭p H_(pzc)为7.49,当溶液p H为7.0时,吸附效果最好;在磷溶液浓度为4.0 mg·L~(-1)、温度为298K时,改性芦苇生物炭平衡吸附量为0.658 mg·g~(-1),是未改性生物炭吸附量的34.6倍.研究不同温度下的吸附等温线,Langmiur方程很好地拟合不同温度的吸附等温线,该吸附是单层吸附,温度升高有利于吸附.吸附热力学研究表明,ΔG~θ0、ΔH~θ0和ΔS~θ0,说明该吸附是自发、熵增的吸热过程.假二级方程很好地拟合改性芦苇生物炭吸附磷的动力学数据,初始吸附速率随初始浓度的增大而增大,该吸附主要受颗粒内扩散控制.该研究为改性芦苇生物炭用于污水处理厂和水体深度除磷提供基础数据.     

改性花生壳生物炭对磷酸盐的吸附特性

该文以花生壳为原料热解得到花生壳生物炭,并用铁盐对其进行改性,得到改性花生壳生物炭。利用改性花生壳生物炭吸附磷酸盐,研究了吸附动力学和吸附等温线曲线,同时探究了pH对吸附除磷效果的影响。并利用吸附有磷酸盐的改性生物炭作为小麦种子生长的基质。结果表明,改性花生壳生物炭对磷的最大吸附量为1.11 mg/g,吸附动力学符合准二级动力学拟合方程,吸附曲线符合Langmuir吸附模型,主要为单层吸附过程,吸附过程的最适pH为4～10。同时,吸附有磷酸盐的改性花生壳生物炭能提高小麦种子的发芽率,并且能促进早期幼苗的生长。该改性生物炭可以有效吸附磷酸盐,缓解水体的富营养化,还能作为缓释肥料,实现环境治理与资源化利用。     

铁硫改性生物炭去除水中的磷

磷元素向天然水体中的过度排放引发了严重环境问题.以吸附剂为技术核心的吸附法作为一种有效的除磷方法而受到研究人员的关注.本研究中,以壳聚糖、硫酸亚铁和硫化钠为改性剂研发的污泥生物炭对水中磷的去除效果良好.批次实验表明在最佳原料配比下,298 K时材料可吸附49.32 mg?g-1的磷.此外,实验模拟表明材料对磷的吸附符合...     

高锰酸钾改性桉木生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附特性

以桉木为原料,使用高锰酸钾对桉木生物炭（BC）进行改性,制备改性生物炭（KBC）.对其进行表征,并进行了水溶液中Pb （Ⅱ）的静态吸附实验,探究了溶液pH、吸附剂投加量、吸附时间、温度和初始浓度对Pb （Ⅱ）的吸附效果影响.结果表明,最佳吸附反应pH为5,吸附在6 h达到饱和,当温度为25℃,Pb （Ⅱ）的初始浓度为100mg ·L^-1,吸附剂投加量为0.06 g时,KBC对Pb （Ⅱ）的最大吸附量为83.059mg ·g^-1,去除率为99.67%.KBC对Pb （Ⅱ）的吸附遵循二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,其是发生在均匀表面的单层吸附.采用BET、SEM-EDS、XRD、FT-IR和XPS对吸附剂进行表征分析,发现吸附机制主要是KBC含氧和KBC含锰基团通过络合作用和沉淀作用来吸附Pb （Ⅱ）,以及在吸附过程中生物炭表面会形成—O—Pb—O—双齿配合物.因此,高锰酸钾改性BC可以作为一种很好的Pb （Ⅱ）吸附剂.     

聚吡咯改性生物炭对氟的吸附特性研究

以聚吡咯(PPy)改性芦苇-底泥生物炭(LB)制备了一种特异性吸附阴离子的吸附剂材料(LB/PPy)并实现水体中氟离子的高效去除.通过扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、孔径分析仪(BET)和傅里叶红外光谱(FTIR)对LB/PPy材料进行结构表征,并通过批量吸附实验探究LB/PPy对氟离子的吸附动力学和关键影响因素,最终揭示了该材料对氟离子的特异性吸附机理.PPy增加了LB材料的比表面积及表面官能团丰度,赋予其较高的吸附容量及特异性吸附阴离子性能.LB/PPy对氟离子的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型,吸附过程同时存在物理吸附和化学吸附作用,但主要以化学键合为主;40℃时,达到最大吸附容量,为45.34mg/g,温度增加,吸附容量提升.该材料去除氟离子的最适p H值范围为8～10,具有高效的吸附效果,在多离子混合存在下仍能够保证对氟离子良好的特异性吸附能力,具有极高的应用价值.     

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p H均减小,其对应p Hpzc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. 4...     

镧改性生物炭对砷、镉的吸附特征研究

为研究改性生物炭对砷镉复合污染水体中镉和砷的吸附特征。本研究以牛粪、污泥、竹屑三种不同原料制备生物炭,利用镧(La)对生物炭进行改性,并采用元素分析、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱等分析手段对改性前后的生物炭进行表征,结合等温吸附实验及吸附动力学实验,对比各生物炭对As (V)、Cd (II)的吸附性能并探讨其内在机理。结果表明,竹屑炭(BB)的芳香性大于牛粪炭(CB)和污泥炭(SB)。La改性使三种生物炭在热解过程中形成了酮类、酯类、羰基等含氧官能团,并在表面引入羟基。X射线光电子能谱结果显示La以氢氧化物的形式负载在生物炭表面。各生物炭对Cd (II)、As (V)的吸附符合准二级吸附动力学和Langmuir等温吸附方程。La改性生物炭对As (V)的最大拟合吸附量达到3.47～4.51 mg/g,显著高于未改性生物炭(1.82～2.50 mg/g)(p<0.05)。在As (V)、Cd (II)吸附过程中,La改性生物炭表面的La与As (V)发生络合反应,同时Cd (II)与镧基氢氧化物发生配体交换,生成Cd (OH)₂沉淀。本研究证明了La改性有效提高了生物炭对As (V)、Cd (II)同时吸附的能力。     

改性西瓜皮生物炭的制备及其对Pb(Ⅱ)的吸附特性

以西瓜皮为原料,使用硫化铵[(NH₄)₂S]对其改性制备生物炭(MBC),用于对Pb(Ⅱ)进行吸附.探究了溶液pH、吸附时间、吸附剂添加量、Pb(Ⅱ)初始质量浓度和离子强度等因素对Pb(Ⅱ)吸附效果的影响.结果表明,饱和吸附时间为5 h,吸附反应的最佳pH为6,当Pb(Ⅱ)初始质量浓度1 000 mg·L^-1,吸附剂添加量为2.0 g·L^-1时,MBC对Pb(Ⅱ)的最大吸附量可达97.63 mg·g^-1,明显高于未改性西瓜皮生物炭(BC)对Pb(Ⅱ)的吸附量.改性西瓜皮生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附符合Langmuir等温吸附模型和拟二级动力学模型,证明吸附以单分子层化学吸附为主.使用氢氧化钠溶液对吸附Pb(Ⅱ)之后的MBC进行解吸来研究MBC的可重复使用性,在第六次循环中吸附量仍达64.74 mg·g^-1.采用傅立叶转换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、氮吸附(BET)、扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)和Zeta电位...     

碱改性小麦秸秆生物炭对水中四环素的吸附性能

以小麦秸秆为原料,在873K温度下炭化6h制备了小麦秸秆生物炭（WBC）,再用KOH浸渍法制备了3种碱炭比（质量比为1：1,2：1和3：1）的改性秸秆生物炭（WBCK1、WBCK2和WBCK3）.通过扫描电镜、比表面及孔径分析仪和傅里叶红外光谱对3种WBCK结构特征和表面性质进行表征.通过批量吸附实验,探讨了3种WBCK对溶液中四环素的吸附动力学和热力学特征.相比于WBC,WBCK有更丰富的孔径结构和更大的比表面积,且对四环素的吸附容量显著增加.3种WBCK对四环素的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型,吸附速率常数大小顺序为k_2（WBCK2） > k_2（WBCK3）> k_{2（WBCK1）.}WBCK对四环素的吸附量随温度升高而增大,吸附过程同时存在物理吸附和化学吸附作用.Langmuir、Freundlich和Temkin模型均能较好地拟合吸附等温线,吸附机理较复杂.3种WBCK对四环素的吸附均为自发、吸热、熵增加过程.当溶液pH值范围为4.0~8.0时,3种WBCK对四环素的吸附性能较高.3种改性WBCK均可重复使用,其中WBCK2重复使用5次后吸附去除效率仅下降13.9%.     

高锰酸钾改性椰壳生物炭对水中Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除性能及机制

以高锰酸钾改性商业椰壳生物炭(MCBC)为吸附剂,探讨了它对Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除性能及机制.当初始pH和MCBC投加量分别为5和3.0 g·L^-1时,Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除率均高于99%.Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除更符合准二级动力学模型,表明它们的去除以化学吸附为主;Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)去除的控速步骤为快速去除阶段,而该阶段的速率取决于液膜扩散和颗粒内扩散(表面扩散).Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)主要通过表面吸附和孔隙填充附着在MCBC上,表面吸附的贡献更大;MCBC对Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的饱和吸附量分别为57.18 mg·g^-1和23.29 mg·g^-1,约为前驱体(椰壳生物炭)的5.74倍和6.97倍.Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)的去除是自发的、吸热的,具有较为明显的化学吸附热力学特征.Cd(Ⅱ)通过离子交换、共沉淀、络合反应和阳离子-π相互作用附着在MCBC上;而Ni(Ⅱ)则是通过离子交换、共沉淀、络合反应和氧化还原反应被MCBC去除;其中,共沉淀和络合作用是Cd(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)表面吸附的主要方式,且络合...