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生物炭在环境污染治理中的应用

更新时间:2009-03-28

1 生物炭概述

生物炭(Biochar)是由生物残体在缺氧或含氧量低的情况下,经过高温慢速热解(<700℃) 或者水热碳化法制备的一类难熔、稳定、芳香化程度高、碳素含量丰富的固态物质。生物炭的主要生物来源包括农林残留废弃物、木材加工废弃物、动物粪便和城市有机垃圾等。生物炭中的碳元素含量高,主要由芳香烃、单质碳、具有类石墨结构的碳原子组成,物理化学性质稳定。生物炭的表面结构、官能团等都可发挥吸附污染物的功能。

生物炭的制备标准、生物质原料、加压加热程度、添加量及特殊添加物等都是影响生物炭结构的主要因素,使其功能产生差异。以稻秆、玉米秆和麦秆为生物质原料,在不同温度下制备的生物炭进行研究,结果显示:随着热解温度的升高,不同来源的秸秆生物炭的产率不断下降,灰分不断增加,其热解温度对生物碳功能结构的影响要比原料的种类影响要大。

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在制备出的生物炭中含有酸性官能团和碱性官能团两类,官能团的种类都是含氧的酸性官能团。酸性含氧官能团具有极性,官能团越多,对极性物质的吸附性就越强,另一种具有非极性,官能团的数量对于吸附极性较弱或非极性的物质有利。随着温度的不断升高,生物质材料的裂解水平发生显著变化,生物炭产率减弱,灰分水准升高,孔隙水准增长,导致生物炭的芳香化程度逐渐升高、疏水性和极性降低,得到具有孔隙结构的碳化产物,结构越来越紧密,比表面积增大。

2 生物炭治理环境污染的类型及机制

2.1 生物炭治理环境污染主要污染物的类型

生物炭可应用于对水体、土壤污染的控制,对重金属、含氮磷的无机类、有机化合物进行治理分类,还可以用于农田土壤的改良和对温室气体的控制。

2.1.1 重金属污染物

在生物炭治理环境污染中,表面理化性质中的表面结构、官能团、电子密度等起着至关重要的作用。由于污染物的性质不同,生物炭所表现出的治理机理也不相同,以物理或化学作用占主导,大多为二者结合运用。多项实验研究表明:生物炭不只有吸附能力,还可在一定情况下发挥降解作用。

2.1.2 无机类污染物

在多种无机类污染物中,生物炭对磷、铵具有明显的净化效果。与其他污染物相比,无机类污染物在水体内的污染更为严重,如改变水体的pH值、水体富养化等,进而影响人类健康。沉水植物生物炭对磷的吸附具有明显效果,铁锰氧化物/生物炭复合材料可去除水中NO3-。吸附过程遵循二级动力学方程,且以化学吸附为主,表明生物炭对无机物类污染物,尤其是磷与氮类的治理有很大发展前景。

2.1.3 有机化合物类污染物

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生物炭可对头孢噻肟( CFX) 为目标的抗生素进行降解,对农药、多溴联苯醚、多环芳烃和多氯联苯在土-水中的分配、对罗丹明B的吸附与降解等有机化合物类污染物进行治理。不同温度制备的生物炭对不同有机类污染物的治理机制不同,低温制备的护花米草生物炭能够有效促进土壤对三氯生的吸附,较高温度制备的生物炭对罗丹明B存在降解作用。在生物炭吸附有机污染物的过程中,应注意温度对吸附能力和降解能力的改变,以实现最大的治理能力。

2.2 生物炭治理环境污染的各种机制

在以铅、镉、砷等为主要污染物的重金属污染中,吸附法以其处理简单、效率高和耗能低等特点,是治理重金属污染最有前景的方法。吸附行为有物理吸附、静电作用、离子交换、化学结合等,各种生物炭的理化性质差异、吸附条件和重金属离子类型的变化都会引起吸附原理发生变化。通过对生物炭的形态结构、孔隙水准及表面酸性含氧官能团的研究,发现生物炭对重金属离子吸附的主要影响因素是酸性表面官能团,与生物炭形貌和孔隙度关系不大。

2.2.1 物理吸附

物理吸附主要取决于生物炭比表面积和孔隙度。高孔隙水准可以提供更多重金属离子活动的空间,且表面附着丰富的负电荷,可进行离子交换和静电吸附,减弱土壤中金属离子的毒性。在研究生物炭作用机理时应将多种影响因素考虑在内。

2.2.2 化学反应

生物炭具有较大比表面积、多变的孔隙结构和复杂的表面成分,被认为是一种高效的去污剂,生物炭本身含有电活性的醌型官能团和缩聚的芳族片材,每克生物炭可以贡献 2 mmol 的电子,具有氧化还原特性。

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2.2.3 降解作用

化学反应依靠表面官能团和化学成分的复杂多样,生物炭与重金属离子之间可以发生不同化学反应。如离子交换、络合、沉淀、静电吸引和π相互作用等。生物炭表面富有相当繁杂的官能团,如氨基、酚羟基、羧基等,有利于阳离子的化学吸附。当金属离子与羟基结合时,这些物质可作为配位原子与金属离子配合来吸附重金属,表明生物炭上的无机矿物组分对重金属的吸附起重要作用 。

酸性含氧官能团在化学吸附中发挥了显著作用,如表面络合、离子交换等。大量的酸性含氧官能团可以显著提高生物炭的吸附效果。在吸附过程中,酸性含氧官能团表现出与金属离子发生表面络合、离子交换等作用,这些表面含有较多的酸性含氧官能团的生物炭有利于对重金属离子的吸附。化学吸附类主要以官能团性质为主,生物炭含有酸性和碱性两种官能团,最多见的官能团是酸性含氧官能团。在今后的环境治理研究中可以此为依据作用于不同污染类型,进而发挥生物炭的最大效能。

生物炭对土壤中噻虫啉这种含毒有机物的降解可起到干预作用。高温制备的生物炭升高pH和控制·OH可以起到加强噻虫啉的化学降解,但会减弱其生物降解;低温生物炭可提高土壤中微生物可利用的氮、碳源,以加强噻虫啉的生物降解。

从治理有机化合物类污染物的角度看,低温制备的护花米草生物炭能够有效促进土壤对三氯生的吸附,较高温度制备的生物炭对罗丹明B存在降解作用。上述实验可见,温度是决定生物炭在环境治理中吸附与降解所占比例的重要调节因素。

3 讨论与展望

从生物炭的性质、治理污染物种类和治理机制等方面对现有的研究成果进行概述,取得以下几点认识。第一,目前生物炭的研究周期短,不能排除其对环境的潜在危害,应研究其日后对环境的影响。第二,生物炭在吸附污染物的过程中可能伴随着降解作用,生成的中间产物或降解产物也可能会造成二次污染。第三,生物炭具有较强的稳定性、较大的比较面积和丰富的孔结构,可广泛应用于污染控制。第四,从目前的生物炭发展看,生物炭作为微生物的载体进行治理环境的一系列作用是生物炭的一种新用途,且已经发现其对有机物可以进行降解。我国在生物炭治理石油污染方面还存在空白,应以生物炭为降解石油菌株的载体进行石油污染治理方面的研究。

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参考文献

[1] 王桂君,王磊,律其鑫. 生物炭对退化和污染土壤的修复作用研究进展[J].长春师范大学学报, 2017, 36(12):83-85.

[2] 吴继阳. 不同原料生物炭对水土环境修复的研究[D].扬州:扬州大学,2017.

 
赵子奇,单荣,黄玲巍,曹迪
《黑龙江科学》 2018年第10期
《黑龙江科学》2018年第10期文献

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