磁性生物質(zhì)炭的制備方法研究進(jìn)展

李鈺婷，金 磊，黃圣淇，汪月晗，王震華，胡志新

(南京工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

1 磁性生物質(zhì)炭

生物質(zhì)炭一般指農(nóng)林廢棄物、水生植物、城市固廢、動(dòng)物糞便等生物質(zhì)在缺氧或無(wú)氧條件下經(jīng)高溫(<700℃)熱解獲得的固體物質(zhì)[1]。生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)致密、比表面積大、耐酸堿、表面官能團(tuán)豐富并且吸附能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；同時(shí)具備生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于再生的優(yōu)點(diǎn)[2]，使得生物質(zhì)炭在污染控制和生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是生物質(zhì)炭直徑較小，處理廢水后難以從水中分離出來(lái)，這使得生物質(zhì)炭在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到限制。目前，對(duì)處理廢水后的生物質(zhì)炭多采用過(guò)濾或離心的方法進(jìn)行分離，但耗時(shí)較長(zhǎng)，操作相對(duì)復(fù)雜[3]；而利用特定方法給生物質(zhì)炭賦磁，在處理完受污染水體后，利用外加磁場(chǎng)將炭從水體中分離，比離心和過(guò)濾等方法更加快速有效[4-5]。

2 磁性生物質(zhì)炭的制備方法

2.1 浸漬熱解法

將生物質(zhì)炭與含F(xiàn)e2+/Fe3+的改性劑混合攪拌均勻，過(guò)濾干燥后，放入無(wú)氧環(huán)境中高溫裂解，磁性顆粒Fe3O4在熱解過(guò)程中通過(guò)氧化還原反應(yīng)生成并負(fù)載至生物質(zhì)炭表面，再次洗滌干燥后得到磁性生物質(zhì)炭。浸漬熱解法一般分為傳統(tǒng)熱解法和微波熱解法。其優(yōu)點(diǎn)是賦磁與熱解一步完成，步驟少，工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)磁性顆粒與生物質(zhì)炭基體的結(jié)合較為穩(wěn)定[6]。

2.1.1 傳統(tǒng)熱解法

蔣旭濤等[7]用小麥秸稈為原料制備生物質(zhì)炭，然后將制備好的生物質(zhì)炭浸泡于1 mol·L-1的FeCl3溶液中(鐵碳質(zhì)量比為0.56∶1)，混合均勻后烘干，置于馬弗爐中400 ℃煅燒2 h，最后再洗凈烘干得到磁性生物質(zhì)炭。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，鐵改性后的磁性生物質(zhì)炭極性增大，對(duì)表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)影響明顯，有利于對(duì)磷的吸附[7]。

2.1.2 微波熱解法

微波是電磁波，微波加熱與傳統(tǒng)的加熱方法不同，是物料中的極性分子與電磁場(chǎng)互相作用的結(jié)果。汪南方等[8]在生物質(zhì)炭浸漬于改性劑中時(shí)，用微波輻照，使生物質(zhì)炭表面的官能團(tuán)與改性劑、低濃度的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使生物質(zhì)炭孔結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，孔表面的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化。但該方法改性不確定因素很多，改性劑的濃度，輻照的功率和時(shí)間等對(duì)磁性生物質(zhì)炭性能影響較大。

2.2 液相沉淀法

在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將生物質(zhì)炭與Fe3+/Fe2+溶液混合均勻，然后在堿性條件(pH值=10～11)下靜置反應(yīng)，最后抽濾洗滌烘干得到負(fù)載了Fe3O4的生物質(zhì)炭。萬(wàn)霞等[9]對(duì)盛有超純水的四口燒瓶通氮?dú)? h，然后加入FeSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、生物質(zhì)炭和氨水，攪拌反應(yīng)30 min后密封靜置1 h，然后烘干得到磁性生物質(zhì)炭。賦磁后的生物質(zhì)炭比表面積明顯增大，吸附效果增強(qiáng)。席志楠等[10]在研究磁性生物質(zhì)炭對(duì)水體中有機(jī)物芘的去除效果時(shí)，也采用液相沉淀法制備磁性生物質(zhì)炭，并取得較好的吸附效果。液相沉淀法制備磁性生物質(zhì)炭快速高效，但是需要有惰性氣體的保護(hù)，工序復(fù)雜，成本較高，且Fe3+和Fe2+的比例不同，對(duì)磁性生物質(zhì)炭的磁性強(qiáng)度也會(huì)有影響。

2.3 液相還原法

零價(jià)鐵具有良好的電化學(xué)、配位化學(xué)和氧化還原特性，可以快速還原水體中有機(jī)物、重金屬等。Wang和Zhang[11]采用液相化學(xué)還原法合成出納米零價(jià)鐵，并將其用于有機(jī)氯降解，開創(chuàng)了納米零價(jià)鐵在環(huán)境污染治理領(lǐng)域應(yīng)用的先例。韋學(xué)玉等[12]利用黃豆殼為原料，制備生物質(zhì)炭，然后在生物質(zhì)炭表面負(fù)載零價(jià)鐵制備磁性生物質(zhì)炭，吸附動(dòng)力學(xué)分析表明其對(duì)三氯

酚去除效果比未負(fù)載零價(jià)鐵的生物質(zhì)炭更好。這種方法原理簡(jiǎn)單，但是操作復(fù)雜，推廣難度較大。

2.4 水熱合成法

水熱法是指在密閉反應(yīng)器里，以水作為溶劑，物料經(jīng)溶解和再結(jié)晶的制備方法。用水熱法制備納米Fe3O4，然后再與生物質(zhì)炭粉末合成，得到磁性生物質(zhì)炭。這種制備磁性生物質(zhì)炭的方法需要的環(huán)境溫度較低，一般在100～250℃，耗能較小，反應(yīng)設(shè)備簡(jiǎn)單，密閉反應(yīng)，壓強(qiáng)較高，避免組分的揮發(fā)，提高了產(chǎn)物的純度[13]。馬天文等[14]用水熱法制成生物質(zhì)炭層包覆納米Fe3O4微球的磁性生物質(zhì)炭，并用于吸附PFOS。

2.5 機(jī)械化學(xué)合成法

機(jī)械化學(xué)合成法是一種制備納米材料的新型工藝，在高能磨球的作用下，不同物料作用形成超細(xì)粉體。將鐵氧化物與生物質(zhì)炭粉末按一定比例混合放入高能磨球機(jī)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間可以得到磁性生物質(zhì)炭。這種方法操作簡(jiǎn)單，容易控制；但是對(duì)設(shè)備要求較高，能耗大。

3 存在的問題與研究展望

磁性生物質(zhì)炭具有造價(jià)低廉，對(duì)水體中污染物吸附性能較好，吸附的污染物種類多，易于從水中分離等優(yōu)點(diǎn)，在水體污染治理中有著良好的應(yīng)用前景。目前磁性生物質(zhì)炭制備方法較多，但在磁性生物質(zhì)炭吸附應(yīng)用方面還有許多問題有待解決。

(1)不同方法制備磁性生物質(zhì)炭的賦磁率不同，同種方法改變不同的變量也會(huì)影響賦磁率，這制約了磁性生物質(zhì)炭的批量生產(chǎn)，限制了它在水體修復(fù)中的大規(guī)模應(yīng)用。

(2)水體中污染物種類繁多，磁性生物質(zhì)炭對(duì)水體中不同污染物的吸附性能需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

(3)磁性生物質(zhì)炭的回收和再生可以降低水處理的經(jīng)濟(jì)成本，但目前這方面的研究相對(duì)較少，需要進(jìn)一步深入研究，提高經(jīng)濟(jì)效益。