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。     

污泥生物炭去除水中重金属的研究进展

重金属带来的环境风险日益严峻,利用污泥生物炭去除水中重金属污染方面的研究得到了广泛关注。结合当前国内外研究现状,归纳了不同条件下制备的污泥生物炭对水中重金属,如Cd、Pb、Cr、As等的吸附机理,污泥生物炭对大多数重金属的吸附满足物理吸附和化学吸附的多重作用,可通过增加生物炭表面有效基团及有效吸附位点提升吸附性能。同时,总结了影响吸附效率的各种因素,探究了污泥生物炭的再生问题,并对今后污泥生物炭去除水中重金属的研究方向做出了展望。     

煤矸石改性生物炭吸附水体中磷酸盐性能研究

水体中磷的去除对控制水体富营养化具有非常重要的意义。本研究通过以固体废弃物煤矸石和秸秆为原料,制成生物炭复合材料并应用于水溶液中磷酸根的吸附。利用SEM、Zeta电位测量等分析手段对其理化性质进行表征,并对不同的影响因素进行了分析研究以确定最佳的吸附条件。在此基础上,采用不同吸附动力学和吸附等温模型对生物炭的吸附行为和机理进行了研究。结果表明,用煤矸石改性秸秆类生物炭,使生物炭性质都发生改变,比表面积、Zeta电位、电导率、产率及吸附量都显著增加,吸附条件筛选时得到700℃生物炭单位吸附量高于450℃生物炭,改性生物炭单位吸附量高于原始生物炭,油菜生物炭单位吸附量大于水稻生物炭,酸性条件下单位吸附量与溶液pH值呈负相关,因此选择改性油菜生物炭在700℃热解,采用2.5 g/L投加量吸附pH为4的溶液中磷酸根的吸附条件效果最好,单位吸附量为7.08 mg/g,吸附过程符合准二级吸附动力学模型和Langmuir吸附模型,此吸附过程以化学吸附为主,属单分子层有利吸附。本研究开发了一种利用固体废弃物制备新型生物炭基复合材料的方法,该材料具有成本低廉、操作简单、效果显著的特点。     

磷酸改性水生植物生物炭吸附微囊藻毒素-LR及其影响因素

将水生植物制成生物炭是水生植物资源化利用的新方式,本研究将两种水生植物苦草和狐尾藻在不同温度下热解制备生物炭并用磷酸进行改性,探究了生物炭对水中微囊藻毒素（以MC-LR为例）去除的影响,并研究了其对MC-LR的吸附动力学及影响因素.同时,采用扫描电镜、元素分析、比表面及孔径分析、FTIR和XPS对生物炭进行表征.结果表明,生物炭表面含有丰富的含氧官能团,更高热解温度制备的生物炭具有更丰富的孔隙,对MC-LR的去除率也更高.生物炭对MC-LR的吸附符合准一级动力学、准二级动力学和颗粒内扩散模型.离子强度对生物炭吸附的影响较小,而较高的pH、较大分子量的DOM会抑制吸附.磷酸改性能提高生物炭的吸附性能,并且减弱pH和DOM对生物炭吸附效果的影响.综上,利用水生植物制备的改性生物炭可用于吸附MC-LR,为控制水体中的微囊藻毒素污染提供了新的思路和理论依据.     

Ca/Mg负载改性沼渣生物炭对水中磷的吸附特性

为处理含磷废水和实现沼渣资源化利用,将农业废弃物沼渣制备成生物炭(ZZs),通过CaCL2和MgCL2溶液对其进行浸渍改性,探究改性沼渣生物炭(CMZZs)对水体中磷的吸附特征。结果表明,改性后沼渣生物炭钙镁含量分别是改性前的1.3和15.4倍;SEM-EDS、BET、FTIR和XRD等技术表明,改性未改变生物炭表面化学官能团种类,但改性后生物炭出现新的衍射峰,与标准卡片对比后可能存在Mg(OH)2、MgO等物质。当温度为303K,溶液pH为9.0时,CMZZs最大吸附量为76.92mg·g-1,是改性前的30.1倍。等温吸附实验数据符合Freundlich方程,为多层吸附。吸附动力学分析发现,改性后生物炭在100min内基本达到吸附平衡,吸附过程符合准二级动力学方程,以化学吸附为主。上述结果说明钙镁改性沼渣生物炭对于去除水中磷具有潜在价值。     

生物炭成炭调控及固化土壤重金属研究进展

生物炭在固持土壤重金属(HMs)方面具有广阔的应用前景,其修复效果受到理化特性以及土壤环境的影响。因此,探究生物炭的成炭调控与重金属固化能力,对于优化生物炭制备生产过程具有重要的指导意义。总结了不同制备工艺下生物炭的理化特性变化,并梳理了生物炭固化重金属的主要机理以及各种老化因素对生物炭理化特性变化的影响。生物炭主要通过孔隙吸附、阳离子交换、官能团络合以及矿物沉淀等方式来固化土壤中的重金属,其各项机制的吸附贡献占比受到热解温度、原料种类、停留时间、热解气氛等因素的影响。生物炭老化会导致其理化特性变化,如孔道破碎、含氧官能团分解、不稳定碳析出等,而不同的老化因素会对生物炭产生不同的影响。通过探究各老化因素的作用机理以及其对重金属固化的影响,可以从热解成炭的角度提高生物炭稳定性及有效性,从而减少环境因素对生物炭固化重金属效果的影响,实现对生物炭物化特性及土壤修复能力的有序调控。同时,还展望了未来生物炭施用研究方向,旨在为合理评估生物炭有效性以及指导生物炭修复重金属污染土壤提供参考。     

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。     

Ca/Mg负载改性沼渣生物炭对水中磷的吸附特性

为处理含磷废水和实现沼渣资源化利用,将农业废弃物沼渣制备成生物炭(ZZs),通过Ca Cl2和MgCl2溶液对其进行浸渍改性,探究改性沼渣生物炭(CMZZs)对水体中磷的吸附特征.结果表明,改性后沼渣生物炭钙镁含量分别是改性前的1. 3和15. 4倍; SEM-EDS、BET、FTIR和XRD等测定表明,改性未改变生物炭表面化学官能团种类,但改性后生物炭出现新的衍射峰,与标准卡片对比后认为可能存在Mg(OH)_2、MgO等物质.当温度为303 K,溶液pH为9. 0时,CMZZs最大吸附量为76. 92 mg·g~(-1),是改性前的30. 1倍.等温吸附实验数据符合Freundlich方程,为多层吸附.吸附动力学分析发现,改性后生物炭在100 min内基本达到吸附平衡,吸附过程符合假二级动力学方程,以化学吸附为主.上述结果说明钙镁改性沼渣生物炭对于去除水中磷具有潜在价值.     

污泥基生物炭对垃圾渗滤液的吸附性能研究

以城镇污水处理厂剩余污泥为原料制备生物炭,研究了其对垃圾渗滤液中污染物吸附性能,旨在探索市政污泥综合利用方法和"以废治废"的治理技术途径。结果表明:当生物炭投加量为20 g/L时,垃圾渗滤液的COD和TP去除效果最佳,去除率分别为36.76%和78.36%,NH_4~+-N去除率随生物炭投加量增加而增加;上述三者不同污染物去除的最佳反应接触时间分别为50 min、30 min和≥2 h;生物炭对重金属离子的吸附机理主要表现为离子交换作用。     

生物炭修复土壤重金属污染的潜在风险探讨

生物炭因其独特的吸附特性和制备来源广泛等优点,在土壤重金属污染修复中具有良好的应用前景,但生物炭的大量施用可能会带来许多潜在风险。文章对生物炭修复土壤污染的研究进行综述,重点讨论在现场修复的应用中,一些潜在的非生物和生物因素可能会削弱生物炭对重金属的固定化效应。同时总结了大量施用生物炭的缺陷,包括生物炭老化,生物炭原料附带有毒物质,以及生物炭对土壤动植物生长和土壤微生物的负面影响。此外,还提出了进一步的研究方向和建议（生物炭标准化、长期定位试验、修复机理研究及生产设计）,为生物炭生产和合理施用提供科学应用指导。     

原污泥与脱脂污泥制备生物炭的比较及其特性分析

污泥中的脂质提取后可制备生物柴油,或者是层析出其中的神经酰胺都是重要的资源化途径。污泥提脂后剩余的残渣可通过热解制备成具有吸附作用的生物炭。采用原污泥、脱脂污泥（原污泥索氏提取脂质后的剩余物）,在500,600,700,800℃且绝氧条件下制备生物炭,对其成分进行了分析比较,通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）、傅里叶红外吸收光谱分析（Fourier transform infrared,FT-IR）、BET比表面积分析对其进行了表征,探究了原污泥和脱脂污泥制备的生物炭随温度条件变化的规律。研究发现:脱脂污泥制备得到的生物炭随温度上升,其微观表面更加粗糙,孔径增大,比表面积减小,表面官能团数量减少。相比于原污泥而言,脱脂污泥基生物炭表现出较弱的吸附性能,但依然具有进一步研究的价值和应用潜力。     

生物炭与膨润土对镉吸附性能比较

比较了松木生物炭(PN-B)、花生壳生物炭(PT-B)及膨润土(Bent)对镉的吸附能力及机理,模拟其吸附等温模型和吸附动力学,并讨论p H、初始投加量对实验的影响,对吸附前后的吸附剂进行电镜扫描、傅里叶红外光谱及X射线衍射分析,探讨其吸附机理。结果表明:2种生物炭和膨润土对Cd~(2+)的吸附都符合Freundlich模型; 3种材料吸附动力学均符合标准二级反应动力学方程;其中pH=6、投加量为0. 1g时吸附效果最高,PN-B、Bent、PT-B最大吸附量及最大吸附率分别为16. 56 mg/g(95%)、15. 07 mg/g(91. 06%)、15. 52 mg/g(89. 4%);生物炭对Cd~(2+)的吸附机理主要为—OH、—C O及—CH_2与Cd~(2+)发生表面吸附、离子交换和络合反应共同作用,膨润土对Cd~(2+)的吸附机理主要为离子交换反应。研究表明,松木生物炭对镉的吸附效果最好。     

制备温度对竹炭基生物炭理化特征的影响

生物炭作为新型环境功能材料,在环境污染修复、土壤改良、温室气体减排、强化污水生物脱氮方面应用前景广阔。为探究不同制备温度对竹炭基生物炭理化特征的影响,以竹粉为原料在不同温度条件下制备生物炭,并对其得失电子能力（EEC）、表面官能团及元素组成等进行表征。结果表明:当热解温度从300℃升高到700℃的过程中,电子供给能力（EDC）总体呈先升高再降低的规律,其中300,400℃下热解得到的生物炭EDC最高,分别为0.33,0.35 mmol e-/g,具有更高的强化生物脱氮潜能;600℃下制备的生物炭EDC最低,为0.07 mmol e-/g。由元素含量计算所得的平均氧化度C_ox与EDC的结果相对应。随着制备温度的升高,热解所得生物炭的平均氧化度由负值变为正值,300,400℃下热解得到的生物炭的C_ox为负值,表明300,400℃条件下比500~700℃下所得生物炭还原性更强,氧化性更弱,即电子供给能力（EDC）更大,电子接收能力（EAC）更小。傅里叶红外光谱结果显示,300,400℃下热解所得生物炭羟基含量最高,与其EDC的结果相吻合。     

生物炭对活性污泥中SMP和EPS的组成及脱氮除磷的影响

采用SBR工艺,研究不同生物质原料制成的生物炭粉末对活性污泥中的溶解性微生物产物（SMP）、胞外聚合物（EPS）的组成[蛋白质（PN）、多糖（PS）]及其含量的影响;分析活性污泥MLVSS/MLSS的变化以及污水氮、磷的含量。结果表明:添加的生物炭起到连接污泥絮体的作用,菌胶团尺寸增大,污泥中微生物量明显增多。添加生物炭的活性污泥溶解性微生物产物（SMP）中蛋白质的含量减少了62.3%~76.6%。胞外聚合物（EPS）中蛋白质的含量增加了17.8%~32.8%,含有更多的氨基酸或蛋白质中的色氨酸、酪氨酸以及苯丙氨酸。猪粪生物炭（PMB）对活性污泥影响最大,污泥EPS的冻干物中含有更多的芳香族化合物及核酸类物质。添加生物炭后,活性污泥对氮的转化效率提高,氨氮更快地转化为亚硝态氮并使其达到较高的浓度,并且对磷也有更好的去除效果。     

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     

污泥与秸秆共热解制备生物炭工艺优化及其对Cr(VI)的吸附

在不同热解温度、热解时间及配比下,利用生活污泥与小麦秸秆共热解制备污泥基生物炭(WB),研究了不同条件对WB吸附性能的影响,并以吸附性能为评价指标,应用响应面分析法优化了WB的最佳工艺条件,并研究了最佳WB对水溶液中Cr(VI)的吸附规律。结果表明:1)热解温度、热解时间和配比对WB吸附能力均有显著影响;2)制备WB的最佳热解温度、热解时间、配比分别为503.19℃、120 min、m(麦秆)∶m(污泥)=1.2;3)Langmuir模型和Freundlich模型都能很好地表征WB对Cr(VI)的吸附特征,二级动力学模型可以更好地解释WB对Cr(VI)的吸附机制。     

载镁生物炭对水体中磷酸盐和植酸的吸附性能及机理分析

水体中磷的大量存在引发了水体富营养化,导致水质逐步恶化、黑臭。为了有效处理水体中的磷(主要有磷酸盐和植酸类),采用成熟竹子为原料、氯化镁为改性剂,以氮气热解法制备载镁生物炭,对水体中磷进行吸附研究,同时实现对生物炭的资源化利用。通过载镁生物炭对无机、有机磷在水体中的动力学实验和解析实验,并结合X射线衍射、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱等技术研究了载镁活性炭对磷酸盐及植酸的吸附性能及机理。结果表明:载镁生物炭对两种类型磷的吸附量较单一生物炭均显著提高,对磷酸盐和植酸的吸附平衡量分别达到105,165 mg/g。载镁生物炭对2种磷的吸附动力学均符合准二级动力学拟合方程,吸附等温线符合Langmuir和Freundlich方程,其对有机磷植酸的最大吸附量高于磷酸盐,吸附过程受多种机理共同作用,以化学沉淀吸附为主。此外,吸附过程中载镁生物炭分别与磷酸盐、植酸生成了针状的磷酸镁水合物和非晶态的含镁磷的复合物。     

改性生物炭的制备及其对水中镉离子的吸附试验

以稻壳为原料,采用预浸渍-热解法制备原始稻壳生物炭(C)、CaCl_2改性的稻壳生物炭(Ca-C)、CaCl_2与H_2O_2混合改性的稻壳生物炭(Ca H-C),探讨改性生物炭对水中Cd~(2+)的去除能力。结果表明:改性生物炭具有较大的比表面结和总孔容积。CaCl_2改性和CaCl_2与H_2O_2混合改性可显著提高生物炭对Cd~(2+)的吸附能力,其中CaCl_2与H_2O_2混合改性效果要优于CaCl_2改性。Ca-C和CaH-C对Cd~(2+)吸附符合Langmuir吸附等温模型,饱和吸附量可分别达到19. 53,37. 45 mg/g。改性生物炭主要以离子交换的方式对水中Cd~(2+)进行去除,少量Cd~(2+)在生物炭或生成的CaCO_3表面进行物理吸附。     

热解时间对污泥基生物炭中多环芳烃含量及毒性的影响

污泥基生物炭作为土壤改良剂,为污泥提供了一种可持续的资源化利用技术。但由于其中可能含有多环芳烃（PAHs）、重金属等污染物,具有潜在的环境风险,如何制备环境友好的生物炭成为后续利用的先决条件。设置热解温度为500℃,升温速率为10℃/min时,采用4种不同热解时间（1~4 h）制备污泥基生物炭,通过提取测试发现热解后PAHs均明显小于原污泥中的含量;各组分含量及PAHs总量均随着热解时间的增加先增大后减小。2 h的热解时间利于原污泥中有机质充分反应生成新的PAHs,因此PAHs总量达到最大值,超过农用限制;但由于未检出毒性最强的BaP及DahA,其毒性当量（TEQs）反而最低。1 h热解时间虽PAHs总量未超过农用标准,但TEQs最大,超过国际生物炭协会规定的阈值。综合PAHs含量和TEQs的限值,热解时间3,4 h制备的污泥基生物炭更具安全性。从节约能源的角度出发,建议选用3 h作为污泥基生物炭的热解时间。     

镁改性生物炭制备条件对其氮、磷去除性能的影响

以林木废弃物为原料,通过干式热解和湿式热解,制备镁改性生物炭,并探索其对污水中氮、磷的同步去除性能。研究表明:干式混合热解和湿式浸渍热解制备的生物炭吸附效果无显著差异;MgCl_2浸渍制备改性是生物炭制备的适宜方法,浸渍浓度、热解温度、热解速度及生物炭粒径均会对吸附效果有影响;最优条件下,镁改性生物炭对氮和磷的吸附量分别为35.28,110.29 mg/g。除了吸附作用,镁改性生物炭表面形成了鸟粪石沉淀(MgNH_4PO_4·6H_2O),可作为一种缓释型炭基氮磷复合肥。