生物炭吸附水中污染物的性能、机理和环境风险

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-1032

摘要/Abstract

摘要：

生物炭因其比表面积大、表面官能团丰富和孔隙结构发达等优势在废水处理领域具有广阔的应用前景。未改性生物炭对污染物的吸附性能不理想，可通过改性方式提升其吸附性能。总结了生物炭的制备条件（热解温度、升温速率、保温时间）和改性方法（酸/碱改性、老化改性、有机物改性、纳米材料改性、蒸汽改性和球磨改性）对生物炭吸附去除污染物的影响。概括了生物炭对重金属离子和有机污染物的吸附机理，其中生物炭吸附去除重金属离子的相互作用包括静电吸附、离子交换、物理吸附、表面络合、共沉淀等，而吸附去除有机污染物的相互作用包括孔隙填充、疏水作用、π-π电子供体-受体作用、静电吸附、氢键作用。阐述了生物炭在环境治理中的应用，包括吸附重金属离子、吸附有机污染物和生物炭再生。最后指出生物炭在制备和应用方面的环境风险，为高效生物炭吸附剂的设计、应用和环境风险管控提供理论和数据支撑。

关键词: 生物炭, 制备条件, 改性, 吸附, 环境风险

Abstract:

Biochar has a wide application prospect in the field of adsorption removal of pollutants due to its advantages of large specific surface area，rich surface functional groups and pore structure. The adsorption performance of unmodified biochar is not ideal，hence，it is urgent to improve its adsorption performance by modification. The influence of preparation conditions（pyrolysis temperature，heating rate and holding time） and modification methods（acid/base deashing，aging，organic matter modification，nanomaterial composite，steam modification and ball milling modification） was introduced. Then，the mechanism of biochar adsorption of heavy metal ions and organic pollutants was summarized. The adsorption interactions of biochar adsorption removal heavy metal ions inclued electrostatic interaction，ion exchange，physical adsorption，surface complexation and co-precipitation，meanwhile，the adsorption interactions of biochar adsorption removal organic pollutants inclued pore filling，hydrophobic interaction，π-π EDA interaction，hydrogen bonding and electrostatic interaction. Then，the environmental applications of biochar were reviewed，which included adsorption of heavy metal ions，adsorption of organic pollutants and stability of biochar. Finally，The environmental risks of biochar on preparation process and application process were pointed out in order to provide theoretical and data supporting for the design，application and environmental risk management of highly efficient biochar adsorbents.

Key words: biochar, preparation condition, modification, adsorption, environmental risk

中图分类号:

TQ424
X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I12/1

图/表 6

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73	ZHANG Ping， O’CONNOR D， WANG Yinan，et al. A green biochar/iron oxide composite for methylene blue removal［J］. Journal of Hazardous Materials，2020，384：121286. doi:10.1016/j.jhazmat.2019.121286
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82	GUO Peng， XU Nan， LI Duo，et al. Aggregation and transport of rutile titanium dioxide nanoparticles with montmorillonite and diatomite in the presence of phosphate in porous sand［J］. Chemosphere，2018，204：327-334. doi:10.1016/j.chemosphere.2018.04.041
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生物质	热解温度/℃	升温速率/（℃·min^-1）	保温时间/min	污染物	污染物质量浓度/ （mg·L^-1）	吸附性能	吸附动力学	吸附等温线	参考文献
丝瓜络	700		300	Cu（Ⅱ）	40	66.88 mg/g	拟二级动力学	Freundlich	〔22〕
苎麻茎	300	5	120	Cr（Ⅵ）	100	83.23 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔14〕
花生壳	650		120	Cd（Ⅱ）	100	19.45 mg/g	拟一级动力学	Langmuir	〔23〕
香蕉秸秆	700		120	Cd（Ⅱ）	200	99.50 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔15〕
羊粪	700		180	Cd（Ⅱ）	30	34.06 mg/g	拟二级动力学	Freundlich	〔24〕
荷叶秸秆	700		120	Cr（Ⅵ）	40	99.9%	拟二级动力学	Langmuir	〔25〕
花生壳	700	5	120	Pb（Ⅱ）	150	99.4%	拟二级动力学	Freundlich	〔26〕
槟榔渣	700		180	亚甲基蓝	40	99%	拟二级动力学	Langmuir	〔27〕
中药渣	700	10	90	四环素	10	93.46 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔28〕
辣椒秸秆	700		120	考马斯亮蓝	50	88.12%	拟二级动力学	Langmuir	〔29〕
青蒿	550	120	15	亚甲基蓝	500	45.302 mg/g			〔18〕
荔枝籽	700			亚甲基蓝	50	124.5 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔30〕
稻草	500	10	120	番红O	50	41.59 mg/g	拟二级动力学	Freundlich	〔31〕

生物质	热解温度/℃	升温速率/（℃·min^-1）	保温时间/min	污染物	污染物质量浓度/ （mg·L^-1）	吸附性能	吸附动力学	吸附等温线	参考文献
丝瓜络	700		300	Cu（Ⅱ）	40	66.88 mg/g	拟二级动力学	Freundlich	〔22〕
苎麻茎	300	5	120	Cr（Ⅵ）	100	83.23 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔14〕
花生壳	650		120	Cd（Ⅱ）	100	19.45 mg/g	拟一级动力学	Langmuir	〔23〕
香蕉秸秆	700		120	Cd（Ⅱ）	200	99.50 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔15〕
羊粪	700		180	Cd（Ⅱ）	30	34.06 mg/g	拟二级动力学	Freundlich	〔24〕
荷叶秸秆	700		120	Cr（Ⅵ）	40	99.9%	拟二级动力学	Langmuir	〔25〕
花生壳	700	5	120	Pb（Ⅱ）	150	99.4%	拟二级动力学	Freundlich	〔26〕
槟榔渣	700		180	亚甲基蓝	40	99%	拟二级动力学	Langmuir	〔27〕
中药渣	700	10	90	四环素	10	93.46 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔28〕
辣椒秸秆	700		120	考马斯亮蓝	50	88.12%	拟二级动力学	Langmuir	〔29〕
青蒿	550	120	15	亚甲基蓝	500	45.302 mg/g			〔18〕
荔枝籽	700			亚甲基蓝	50	124.5 mg/g	拟二级动力学	Langmuir	〔30〕
稻草	500	10	120	番红O	50	41.59 mg/g	拟二级动力学	Freundlich	〔31〕

生物质	改性方法	改性剂	污染物	吸附性能	吸附动力学	吸附等温线	参考文献
市政污泥	酸碱改性	HNO₃	亚甲基蓝	去除率45%			〔32〕
玉米秸秆		H₃PO₄	恩诺沙星	吸附容量34.86 mg/g，提升27.80%	拟二级动力学	Langmuir	〔33〕
柳枝稷		KOH	Cu（Ⅱ） Cd（Ⅱ）	去除率5.6% 去除率16%			〔34〕
水稻秸秆		KOH	Cd（Ⅱ）	吸附容量41.9 mg/g，是原始状态的3.45倍	拟二级动力学	Langmuir	〔35〕
马铃薯茎叶		KOH	环丙沙星	吸附容量23.36 mg/g，提升175%	拟二级动力学	Langmuir	〔36〕
榴莲壳	老化改性	KMnO₄	亚甲基蓝	吸附容量194.98 mg/g，是原始状态的9.04倍	拟二级动力学	Langmuir	〔37〕
小龙虾壳	有机物改性	腐殖酸	亚甲基蓝	吸附容量370.6 mg/g，提升47.06%	拟二级动力学	Freundlich	〔38〕
稻草秸秆	有机物改性	植酸钠	Cd（Ⅱ）	吸附容量为121.88 mg/g，是原始状态的4.34倍	拟二级动力学	Langmuir	〔39〕
茶叶	纳米材料改性	MgCl₂	Cd（Ⅱ）	去除率100%，提升75%			〔40〕
猪粪		MnO₂	Pb（Ⅱ） Cd（Ⅱ）	吸附容量268.0 mg/g，提升100% 吸附容量45.8 mg/g，提升218%	拟二级动力学	Langmuir	〔41〕
甜菜渣		MgO	磷酸盐硝酸盐	吸附容量835 mg/g 吸附容量95 mg/g		Langmuir	〔42〕
花生壳		MgO	磷酸盐	吸附容量18.94 mg/g，提升20%	拟二级动力学	Freundlich	〔43〕
小麦秸秆		纳米零价铁	Cr（Ⅵ）	吸附容量可达88.6 mg/g，提升122%	拟二级动力学	Langmuir	〔44〕
黄瓜	蒸汽改性		磺胺二甲嘧啶	吸附容量37.7 mg/g，提升55%		Temkin Freundlich	〔45〕
甘蔗渣	球磨改性		亚甲基蓝	吸附容量354 mg/g，是原始状态20.6倍	拟二级动力学	Langmuir	〔46〕

生物质	改性方法	改性剂	污染物	吸附性能	吸附动力学	吸附等温线	参考文献
市政污泥	酸碱改性	HNO₃	亚甲基蓝	去除率45%			〔32〕
玉米秸秆		H₃PO₄	恩诺沙星	吸附容量34.86 mg/g，提升27.80%	拟二级动力学	Langmuir	〔33〕
柳枝稷		KOH	Cu（Ⅱ） Cd（Ⅱ）	去除率5.6% 去除率16%			〔34〕
水稻秸秆		KOH	Cd（Ⅱ）	吸附容量41.9 mg/g，是原始状态的3.45倍	拟二级动力学	Langmuir	〔35〕
马铃薯茎叶		KOH	环丙沙星	吸附容量23.36 mg/g，提升175%	拟二级动力学	Langmuir	〔36〕
榴莲壳	老化改性	KMnO₄	亚甲基蓝	吸附容量194.98 mg/g，是原始状态的9.04倍	拟二级动力学	Langmuir	〔37〕
小龙虾壳	有机物改性	腐殖酸	亚甲基蓝	吸附容量370.6 mg/g，提升47.06%	拟二级动力学	Freundlich	〔38〕
稻草秸秆	有机物改性	植酸钠	Cd（Ⅱ）	吸附容量为121.88 mg/g，是原始状态的4.34倍	拟二级动力学	Langmuir	〔39〕
茶叶	纳米材料改性	MgCl₂	Cd（Ⅱ）	去除率100%，提升75%			〔40〕
猪粪		MnO₂	Pb（Ⅱ） Cd（Ⅱ）	吸附容量268.0 mg/g，提升100% 吸附容量45.8 mg/g，提升218%	拟二级动力学	Langmuir	〔41〕
甜菜渣		MgO	磷酸盐硝酸盐	吸附容量835 mg/g 吸附容量95 mg/g		Langmuir	〔42〕
花生壳		MgO	磷酸盐	吸附容量18.94 mg/g，提升20%	拟二级动力学	Freundlich	〔43〕
小麦秸秆		纳米零价铁	Cr（Ⅵ）	吸附容量可达88.6 mg/g，提升122%	拟二级动力学	Langmuir	〔44〕
黄瓜	蒸汽改性		磺胺二甲嘧啶	吸附容量37.7 mg/g，提升55%		Temkin Freundlich	〔45〕
甘蔗渣	球磨改性		亚甲基蓝	吸附容量354 mg/g，是原始状态20.6倍	拟二级动力学	Langmuir	〔46〕

重金属	生物质	比表面积/（m²·g^-1）	吸附量/（mg·g^-1）	吸附动力学	等温吸附模型	参考文献
Cu（Ⅱ）	丝瓜络		66.88	拟二级动力学	Freundlich	〔22〕
Cd（Ⅱ）	花生壳		19.45	拟一级动力学	Langmuir	〔23〕
Cd（Ⅱ）	香蕉秸秆	33.11	99.50	拟二级动力学	Langmuir	〔15〕
Cd（Ⅱ）	羊粪	107.80	34.06	拟二级动力学	Freundlich	〔24〕
Cd（Ⅱ）	水稻秸秆	38.75	41.90	拟二级动力学	Langmuir	〔35〕
Cr（Ⅵ）	苎麻茎		82.30	拟二级动力学	Langmuir	〔14〕
Cr（Ⅵ）	荷叶秸秆		41.90	拟二级动力学	Langmuir	〔25〕
Cr（Ⅵ）	小麦秸秆		88.60	拟二级动力学	Langmuir	〔44〕
Cr（Ⅵ）	浒苔	12.51	88.17	Elovich	Langmuir	〔1〕
Pb（Ⅱ）	棕榈纤维	156.8	218.50	拟二级动力学	Langmuir	〔2〕
Pb（Ⅱ）	稻壳	31.17	70.90	拟二级动力学	Langmuir	〔3〕
Pb（Ⅱ）	枣核	119.1	118.57	拟二级动力学	Sips	〔4〕
Hg（Ⅱ）	松木木屑	4.24	126.62	拟二级动力学	Langmuir	〔5〕

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