磁性生物炭的制備及其在環(huán)境修復(fù)中的研究進展*

魏太慶，王 博，艾 丹，孟 陽

(遼寧石油化工大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001)

0 引 言

生物炭(Biochar)是利用生物質(zhì)原材料在限氧或絕氧環(huán)境中，經(jīng)高溫?zé)峤猥@得的一種含碳豐富，穩(wěn)定性強及芳香化程度高的多孔固態(tài)顆粒物質(zhì)[1]。生物炭因所展現(xiàn)出的優(yōu)越理化性質(zhì)，如空隙發(fā)達、比表面積大、含氧官能團和礦物成分豐富等在環(huán)境修復(fù)中得到廣泛的應(yīng)用，成為近年來去除環(huán)境污染物的潛在候選材料。雖然生物炭在吸附污染物方面表現(xiàn)出良好的吸附性能，但因其特殊的結(jié)構(gòu)形態(tài)，從水介質(zhì)中分離出來需要經(jīng)過離心、絮凝和過濾等繁瑣過程，從而限制了生物炭在環(huán)境修復(fù)中的大規(guī)模應(yīng)用，并且在分離過程中有可能使吸附在生物炭上的污染物發(fā)生解吸，導(dǎo)致二次污染[2]。因此，解決生物炭與污染物分離難問題，及提高其重復(fù)利用率是當前學(xué)者所關(guān)注的焦點。

磁性生物炭(MBC)是將生物質(zhì)或生物炭與磁性前驅(qū)體結(jié)合制備的具有磁性的生物吸附劑，不僅保留了原始生物炭優(yōu)異性能，而且與原始生物炭相比，具有更大的比表面積、發(fā)達的孔隙結(jié)構(gòu)、豐富的官能團、更好的穩(wěn)定性以及更強的吸附能力，并且可通過磁性物質(zhì)的作用，使負載污染物的MBC與水溶液分離，從而簡化分離步驟，降低分離過程中能耗，提高MBC重復(fù)利用率[3]。本文對近年來有關(guān)MBC制備原料與方法、理化特性、環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用與再生及重復(fù)利用等方面進行分析總結(jié)，從擴展MBC應(yīng)用研究范圍、厘清MBC潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險以及探明MBC在實際應(yīng)用經(jīng)濟和技術(shù)可行性等方面提出了今后研究應(yīng)關(guān)注的方向，旨在為MBC基礎(chǔ)科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)和參考。

1 磁性生物炭制備原料與方法

1.1 制備原料

通常能夠制備生物炭的廢棄生物質(zhì)都可以作為MBC原料。與生物炭原料不同的是，MBC制備除了生物質(zhì)以外，還需要加入磁性前驅(qū)體。根據(jù)生物質(zhì)本身是否含有磁性前驅(qū)體可分為兩類：一類是生物質(zhì)和磁性前驅(qū)體；另一類是含鐵廢棄生物質(zhì)，其中前一類是MBC制備的常用原料。

生物質(zhì)和磁性前驅(qū)體種類繁多。通常將生物質(zhì)分為四大類：動物、植物、污泥及微生物，其中植物中的農(nóng)作物廢棄物是最常用的制備原料。常見的農(nóng)作物廢棄物有玉米秸稈、稻草、甘蔗渣、棉花秸稈、花生殼等。動物生物質(zhì)有動物骨頭、尸體、糞便等。污泥生物質(zhì)有市政污泥、造紙廠污泥、印刷廠污泥等。而以微生物為原料制備MBC較少，如Luo等[4]使用無菌檸檬酸鐵銨溶液培養(yǎng)微生物(黃孢原毛平革菌),制備MBC用來吸附雙氯芬酸鈉。磁性前驅(qū)體主要有三類：過渡金屬鹽溶液，天然鐵礦石和鐵氧化物。過渡金屬鹽是制備MBC最常用的磁性前驅(qū)體，主要有FeSO4·nH2O，F(xiàn)eCl3·nH2O，K2FeO4，F(xiàn)e(NO3)3·nH2O，MnCl2·nH2O，Co(NO3)2·nH2O等。天然鐵礦石有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦。鐵氧化物有Fe3O4、Fe2O3和FeO。然而，過渡金屬鹽和天然鐵礦石(赤鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦)本身不具有磁性，需要經(jīng)過化學(xué)沉淀反應(yīng)或熱還原反應(yīng)才能轉(zhuǎn)化為磁性材料。

含鐵廢棄生物質(zhì)的使用，不僅使廢棄生物質(zhì)得到充分利用，而且減少了磁性前驅(qū)體的用量，使制備成本大大降低，同時降低了磁性物質(zhì)可能產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險。其中含鐵污泥是最常用的原料，從而實現(xiàn)了對其減量化和資源化利用[5]。因此，采用含鐵污泥制備MBC也是未來環(huán)境修復(fù)材料關(guān)注的方面。

1.2 制備方法

1.2.1 浸漬-熱解法

目前實驗室常采用的制備方法。將生物質(zhì)或生物炭浸漬在磁性前驅(qū)體溶液中，經(jīng)攪拌、過濾干燥后，在厭氧或惰性氣體下放入反應(yīng)設(shè)備熱解，冷卻后干燥處理，最終得到MBC。通常只需一次或兩次熱解。一次熱解指浸漬前生物質(zhì)不需要熱解成生物炭，而是與浸漬干燥后的殘余物一起熱解。二次熱解指在浸漬前，先將生物質(zhì)熱解成生物炭，浸漬干燥后再次進行熱解。Ma等[6]采用Fe(NO3)3·9H2O和廢香菇基質(zhì)原料，一步熱解制備了MBC，掃描電鏡觀察到MBC表面和孔隙內(nèi)，存在一些八面體和不規(guī)則磁性顆粒(FeO和Fe2O3)。Harikishore等[7]采用Co(NO3)2·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O溶液浸漬松樹皮，殘余物干燥后，在通氮氣條件下熱解(900 ℃)制備出MBC。

1.2.2 化學(xué)沉淀法

根據(jù)反應(yīng)液中加入分析純的不同，可分為共沉淀法和還原沉淀法。共沉淀法指將生物炭浸漬在鐵、鈷、鎳等過渡金屬鹽溶液中，加入NaOH等堿性溶液使反應(yīng)液的pH達到一定值后，生成金屬化合物沉淀，最終得到MBC。Bhushan等[8]采用摩爾比為2∶1的Fe3+和Fe2+溶液，加入NH3·H2O調(diào)節(jié)pH值在10～11生成沉淀，最后得到負載有Fe3O4的納米復(fù)合材料生物炭。此方法常用的磁性前驅(qū)體是Fe3+/Fe2+(摩爾比為2∶1)，其反應(yīng)見式(1)；而生成的Fe3O4性質(zhì)不穩(wěn)定，又容易發(fā)生反應(yīng)式(2)。

BC+Fe3++Fe2++8OH-→Fe3O4/BC+4H2O

(1)

Fe3O4+2H+→γ-Fe2O3+Fe2++H2O

(2)

還原沉淀法與共沉淀法有相似之處，不同之處在于生物炭與過渡金屬鹽溶液混合時，采用還原劑(NaBH4或KBH4等)對過渡金屬還原，反應(yīng)生成沉淀后，殘渣經(jīng)洗滌、干燥得到MBC。以Fe3+/Fe2+還原為Fe0為例，其反應(yīng)式(3)和(4)。此方法制備的MBC吸附性能較好，但采用的還原劑有害，且還原過程會產(chǎn)生氫氣，存在安全隱患。

2Fe3++6BH4-+18H2O→2Fe0+6B(OH)3+21H2↑

(3)

Fe2++2BH4-+6H2O→Fe0+2B(OH)3+7H2↑

(4)

1.2.3 微波熱解法

微波能整體透過介質(zhì)材料，使介質(zhì)材料內(nèi)的極性分子產(chǎn)生劇烈的運動而產(chǎn)生熱能，實現(xiàn)材料溫度整體均勻升高。微波熱解具有受熱面均勻、熱解時間短、制備的MBC理化性質(zhì)優(yōu)于其他方式。Meng等[9]在120 ℃微波加熱10 min制備了負載MnFe2O4磁性顆粒的MBC，發(fā)現(xiàn)微波加熱使MnFe2O4磁性顆粒產(chǎn)生時間更短，且磁性顆粒具有立方結(jié)構(gòu)并呈均勻分散狀態(tài)，沒有聚集現(xiàn)象。

1.2.4 溶劑熱法

指將生物炭與磁性前驅(qū)體溶液混合，然后在高壓反應(yīng)釜(100～200 ℃)等反應(yīng)容器內(nèi)進行非均相反應(yīng)以獲得MBC。通常在反應(yīng)液中添加堿性鹽(NaOH、CH3COONa等)、還原劑(NaBH4、KBH4等)和表面活性劑(聚乙二醇等，防止顆粒團聚)。Li等[10]在FeCl3·6H2O和乙二醇混合溶液中加入乙二胺、CH3COONa·3H2O和貝殼生物炭，置于200 ℃高壓反應(yīng)釜中制備了MBC。以Fe3+為磁性前驅(qū)體，其反應(yīng)式為(5)與(6)：

Fe3++3OH-→Fe(OH)3

(5)

(6)

1.2.5 高能球磨法

通過球磨機轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，使研磨罐內(nèi)研磨球體發(fā)生運動，這時研磨球體與原料發(fā)生強烈撞擊和攪拌作用，轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的動能打破了原料的化學(xué)鍵，降低反應(yīng)過程活化能，誘發(fā)低溫化學(xué)反應(yīng)，從而改善了吸附劑顆粒的表面性能和均勻性。Li等[11]對山核桃木生物炭采用球磨擠壓法，制備出有磁性的MBM-BC，沒有磁性的BM-BC。發(fā)現(xiàn)BM-BC對亞甲基藍的吸附能力平均提高了14倍，而MBM-BC的吸附能力平均提高了27倍。

1.2.6 其他制備方法

隨著MBC制備技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了一些新的制備方法。如崔慶亮[12]采用電輔助法，以含生物炭的NaCl和MgCl2為電解質(zhì)，以Fe和Al為電極進行電解反應(yīng)，制備了γ-Al2O3/Fe3O4生物炭和磁性水滑石生物炭。Wang等[13]采用水熱合成法，在不同溫度下制備了磁性碳納米材料用于去除有機染料。Dai等[14]采用熔鹽法，將杉木粉末生物炭與FeCl3·6H2O和NaNO3鹽溶液混合，制備了MBC用于去除2,4-二氯苯酚和莠去津。

2 磁性生物炭理化特性

理化特性可以作為評價MBC是否具有良好吸附性能的標準。通常對理化特性的研究包括元素組成、比表面積、零電點、官能團、形態(tài)、磁性介質(zhì)的種類及飽和磁化強度等。MBC理化特性如表1所示。

表1 MBC理化特性Table 1 MBC physical and chemical properties

MBC主要含有C、H、O、N、Fe元素，也含有少量的S、K、Ca、Si等元素。MBC元素組成和含量與生物質(zhì)種類有很大關(guān)系，制備溫度、時間等也會影響元素組成和含量。Yin等[15]發(fā)現(xiàn)當溫度升高時，MBC中C、O、N元素含量下降，而Fe元素含量增加。比表面積大小也與表面形態(tài)有關(guān)。通常MBC表面較粗糙，均勻分布著許多磁性顆粒，而這些磁性顆粒在一定程度也增大了MBC比表面積。趙旭等[16]通過掃描電子顯微鏡觀察到稻殼MBC表面較粗糙，且負載著許多Fe3O4磁性顆粒，對比比表面積發(fā)現(xiàn)，稻殼MBC比表面積大約是稻殼生物炭的2倍。通過X射線衍射譜圖和X射線光電子能譜圖發(fā)現(xiàn)，MBC中鐵顆粒的主要存在形態(tài)有α-Fe2O3、γ-Fe2O3、Fe3O4、FeO和Fe0。

MBC官能團在吸附污染物上起到關(guān)鍵作用。對官能團通常采用傅里葉變換紅外光譜進行定性分析，發(fā)現(xiàn)在3 438 cm-1附近為-OH的彎曲振動峰，1 650和1 566 cm-1處分別為C=O不對稱伸縮振動峰和芳環(huán)C=C伸縮振動峰，表明MBC上含有豐富的官能團和芳香基團。在566 cm-1處檢測到Fe-O的伸縮振動吸收峰，表明磁性顆粒已成功負載到生物炭上[17]。另外，對官能團也采用Boehm滴定法進行定量分析，趙華軒[18]等采用定量分析方法測得MBC表面含氧官能團(羧基、內(nèi)酯基、酚羥基和羰基)總量為1.598 mmol/g，這些官能團通過與環(huán)丙沙星和氧氟沙星分子中的F、O和N原子間形成氫鍵，促進MBC對污染物的去除。

3 磁性生物炭在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用

3.1 重金屬的去除

環(huán)境中重金屬可以通過食物鏈富集在人體內(nèi)，對人體造成傷害。不同的重金屬在環(huán)境介質(zhì)中的存在形式不同，按其性質(zhì)可分為陽離子型和陰離子型。陽離子型主要有Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Sb(Ⅱ)和Hg(Ⅱ)等，陰離子型主要有Cr(Ⅵ)、As(Ⅲ)、As(Ⅴ)等。使用何種吸附劑可以有效去除環(huán)境中重金屬，一直以來是研究的重點。MBC去除重金屬的研究如表2所示。

表2 MBC去除重金屬的研究Table 2 Removal of heavy metals by MBC

陽離子型重金屬的去除研究有：Sun等[25]研究生物炭和MBC對Cd(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)的吸附性能時，發(fā)現(xiàn)MBC對Pb(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的最大吸附量分別為148 mg/g和79 mg/g，約為生物炭最大吸附量的7倍。Zhou等[26]研究MBC對Hg0吸附和氧化效率，發(fā)現(xiàn)在無SO3和H2O存在時，Hg0的去除率為97.6%。而SO3的加入使MBC生成更多的C=O基團，促進Hg0氧化為HgO的更大轉(zhuǎn)化。Guo等[27]制備了新型氨基改性米糠生物炭磁性材料，發(fā)現(xiàn)對Ni(Ⅱ)的最大吸附量為201.62 mg/g，其吸附機理主要為離子交換(占Ni(Ⅱ)吸附的76.51%)，同時Ni(Ⅱ)也與氨基、羧基和羥基官能團發(fā)生絡(luò)合作用。

陰離子型重金屬的去除研究有：侯素珍等[28]制備了氨基改性生物炭負載型納米零價鐵用于去除水中Cr(Ⅵ)，發(fā)現(xiàn)pH=3時，Cr(Ⅵ)去除率達到98.8%，主要通過絡(luò)合反應(yīng)將產(chǎn)生的Fe(Ⅲ)-Cr(Ⅲ)絡(luò)合物、Cr(OH)3和Fe(OH)3吸附在生物炭上。Zhou等[29]制備了殼聚糖-紅麻生物炭@BiFeO3復(fù)合吸附劑用于吸附Cr(Ⅵ)，發(fā)現(xiàn)在pH=2時，對Cr(Ⅵ)的吸附量最高，且遠遠高于殼聚糖、殼聚糖-紅麻生物炭和殼聚糖-BiFeO3的吸附量。Zhang等[30]以水葫蘆為原料，制備了磁性生物炭(MW250)用于去除水溶液中As(Ⅴ)，研究發(fā)現(xiàn)，在水溶液pH值為3～10范圍內(nèi)，MW250對As(Ⅴ)的去除率始終保持在90%以上，且最大吸附量為7.41 mg/g。由紅外光譜表明，As(Ⅴ)與Fe3O4的羥基化表面以及氫鍵之間的配體交換是As(Ⅴ)吸附的主要原因。

3.2 有機污染物的去除

環(huán)境中有機污染物主要有芳香族化合物、有機染料、抗生素、農(nóng)藥等，其具有的潛在毒性對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成了嚴重威脅。MBC在去除有機污染物方面展現(xiàn)出良好性能，去除方式主要有2種：吸附和氧化。吸附指將污染物從一種相中轉(zhuǎn)移到另一種相中，達到去除目的，而氧化則是利用強氧化物種將污染物礦化為可降解產(chǎn)物。因此，兩者在污染物去除機理方面存在差異。MBC去除有機污染物的研究如表3所示。

表3 MBC吸附有機污染物的研究Table 3 Study on adsorption of organic pollutants by MBC

3.2.1 有機污染物的吸附

芳香族化合物進入土壤和水體，會對環(huán)境造成嚴重污染。Saleh等[37]采用化學(xué)沉淀法制備了棕櫚殼磁性生物炭，發(fā)現(xiàn)pH值為7時，4-硝基甲苯去除率最高，最大吸附量為303.03 mg/g，其吸附機理主要為γ-Fe2O3表面的質(zhì)子化羥基對4-硝基甲苯的靜電吸引作用。Devi等[38]制備了負載Ni和零價鐵的Ni-ZVI-MBC磁性材料用于去除五氯苯酚(PCP)，結(jié)果表明，PCP去除率隨溫度升高而增加，在40 ℃接觸30 min后，去除率高達99%，吸附量為50 mg/g，這是由于Ni-ZVI-MBC涉及同時吸附和脫氯機制，致使其對PCP的去除有較理想的效果。

有機染料大量使用，已對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響。Cai等[39]等制備BiFeO3/生物炭磁性材料用于吸附亞甲基藍，發(fā)現(xiàn)在中性和堿性條件下，該材料的吸附性能較高，最大吸附量為18.942 mg/g，經(jīng)過5個吸附-解吸循環(huán)過程后，吸附能力仍高達66.7%。類似的研究有Mubarak等[40]采用空果串制備了MBC，用于吸附有機染料亞甲基藍和甲基橙，研究發(fā)現(xiàn)，當pH=2或10時，亞甲基藍的最大吸附量為31.25 mg/g，而pH=2時，甲基橙的最大吸附量為32.36 mg/g。

3.2.2 有機污染物的氧化

將MBC加入過二硫酸鹽(PDS)、過一硫酸鹽(PMS)、類芬頓和光催化等體系中，可催化激活體系產(chǎn)生強活性氧化物種(如硫酸鹽自由基、羥基自由基等)，氧化降解有機污染物，這是去除有機污染物的一種有效方式(如圖1)。

圖1 有機污染物的氧化機理示意圖Fig 1 Schematic diagram of the oxidation mechanism of organic pollutants

MBC中磁性納米粒子作為活性位點可催化活化PDS和PMS，產(chǎn)生強氧化自由基，降解有機污染物。Huang等[47]制備Mn摻雜磁性生物炭，用于激活PDS降解四環(huán)素(TC)，結(jié)果表明，鐵錳氧化物、Fe0、含氧官能團以及材料的結(jié)構(gòu)缺陷能激活PDS產(chǎn)生自由基(SO4?-和·OH)，SO4?-與H2O和OH-反應(yīng)生成·OH，SO4?-和·OH進一步與TC反應(yīng)，將TC氧化為可降解產(chǎn)物，對TC的去除率高達93%。You等[48]制備磁化氮摻雜生物炭(MNBC)，作為PMS活化劑以降解環(huán)丙沙星，發(fā)現(xiàn)對環(huán)丙沙星的去除率高達92.6%，其氧化機理為MNBC激活PMS 產(chǎn)生的SO4?-、·OH和1O2將CIP礦化為CO2和H2O。

MBC與H2O2形成的非均相類芬頓體系，克服了傳統(tǒng)類芬頓的pH限制，在較大pH范圍有較好的催化效果。Chu等[49]制備了負載赤鐵礦的磁性材料作為非均相類芬頓反應(yīng)過程中的催化劑，發(fā)現(xiàn)在超聲-非均相-類芬頓3重體系中對亞甲基藍和甲基橙的去除率較高，催化劑經(jīng)5次循環(huán)后，對亞甲基藍的去除率保持在84%以上。在采用光催化技術(shù)去除有機污染物的過程中，發(fā)現(xiàn)鐵氧化物(Fe3O4、ZnFe2O4等)與光催化劑易形成異質(zhì)結(jié)，可促進光生電子-空穴對的分離，提高光催化效率[50]。Li等[51]采用蘆葦秸稈生物炭合成了光催化劑(Fe3O4/BiOBr/BC)，在可見光照射下，對卡馬西平的去除率高達95.51%，并且在較大的pH范圍內(nèi)，對卡馬西平仍有較高的去除率，這主要歸因于Fe3O4/BiOBr/BC在光照下產(chǎn)生了·O2-和·OH強活性物種，將卡馬西平礦化為CO2和H2O。

3.3 營養(yǎng)物質(zhì)的去除

磷酸鹽、氨氮、硝酸鹽等營養(yǎng)物排入水體會導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)的富營養(yǎng)化。宋小寶等[52]制備了載鑭磁性水熱生物炭用于去除水體中磷酸鹽，研究發(fā)現(xiàn)，該材料對水體中磷酸鹽的最大吸附量為100.61 mg/g，在治理實際含磷污水中，磷酸鹽濃度從0.87 mg/L降低到0.05 mg/L。Jung等[53]制備的負載MgFe2O4的生物炭磁性材料，發(fā)現(xiàn)在20 ℃時，對磷酸鹽的最大吸附容量為487.99 mg/g，吸附量遠高于其它種類吸附劑，且在外磁場作用下易于分離，該材料是去除廢水中磷酸鹽的有效吸附劑。

富營養(yǎng)化水體中，除N和P等營養(yǎng)物質(zhì)外，也包含一些其它離子，這些離子會對MBC去除營養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生一定影響。為確定其影響，王芳君等[54]以市政污泥為原料，制備了磁性鐵基生物炭(MB80)，發(fā)現(xiàn)對氨氮的飽和吸附量為17.52 mg/g。當向反應(yīng)液加入Na+、K+、Ca2+和Mg2+離子，且離子濃度不斷增加時，MB80對氨氮吸附量隨之降低，并且發(fā)現(xiàn)高價態(tài)陽離子(Ca2+和Mg2+)的影響要大于低價態(tài)陽離子(Na+和K+)，說明Ca2+和Mg2+與氨氮之間競爭吸附更強。水體pH值也會對MBC的去除產(chǎn)生影響。Bombuwala等[55]制備了負載α-Fe2O3和Fe3O4磁性顆粒的MBC，研究發(fā)現(xiàn)，在pH值為2～9范圍內(nèi)，硝酸鹽的去除率大約在50%，而pH>9時，去除率減小，可能是MBC表面負電荷與硝酸鹽發(fā)生排斥。

3.4 其他應(yīng)用

核能中的放射性核素釋放到環(huán)境中，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴重危害。MBC因具有良好吸附性，也用于去除水環(huán)境中核廢料污染物。Li等[56]以菱鐵礦和稻殼為原料制備了MBC，當pH = 4時，MBC對U(Ⅵ)的最大吸附量為52.63 mg/g，經(jīng)5個循環(huán)后，對U(Ⅵ)的吸附量仍高達32.71 mg/g。另外，MBC也可作為電化學(xué)生物傳感器的電極材料，用于檢測水體中污染物。He等[57]以甘蔗渣為原料，將酪氨酸酶固定在高導(dǎo)電性MBC納米顆粒上制備了新的復(fù)合材料，用作磁性輔助電化學(xué)生物傳感器的電極材料檢測水體中雙酚a，發(fā)現(xiàn)該電化學(xué)生物傳感器具有高穩(wěn)定性、生物催化活性和導(dǎo)電性等特性，顯著增強了雙酚a的傳感信號，且電極材料可重復(fù)使用8次而不降低傳感信號。

4 磁性生物炭再生及重復(fù)利用

從環(huán)境與資源可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，有必要對吸附飽和后的MBC進行污染物解吸，使資源得到最大化利用，同時滿足MBC再生及重復(fù)利用的需求。通常采用解吸劑對MBC負載的污染物進行解吸，可實現(xiàn)MBC再生，經(jīng)再生的MBC又可用于污染物的去除。由于解吸劑的種類較多且解吸能力不盡相同，使再生的MBC對污染物的去除能力有所降低。Reguyal等[58]采用8種解吸劑研究磺胺甲惡唑在飽和的磁性松木屑生物炭中的再生能力，發(fā)現(xiàn)在去離子水和有機溶劑(甲醇、丙酮)中的解吸率很低(<4%)，而在極性有機溶劑(四氫呋喃)中的解吸率很高(45%～67%)。Wang等[59]以乙二胺四乙酸二鈉為解吸劑，研究載Pb(Ⅱ)磁性生物炭的再生能力，發(fā)現(xiàn)在該解吸劑中，鐵離子解吸率較低，而Pb(Ⅱ)解吸率較高，最高解吸率為91.1%，經(jīng)第一次再生循環(huán)后，繼續(xù)研究對水溶液中Pb(Ⅱ)的去除效果，發(fā)現(xiàn)此時去除率有所下降。

MBC與其它生物炭復(fù)合材料相比，最大優(yōu)勢在于可通過外加磁場的方式將MBC從水溶液分離出來，實現(xiàn)MBC重復(fù)利用，其中重復(fù)利用次數(shù)和時間是判斷MBC性能的關(guān)鍵指標。由表2和表3可知，大多數(shù)MBC循環(huán)使用次數(shù)在5次以上，展現(xiàn)出良好的重復(fù)利用能力。Qu等[60]研究磁性復(fù)合材料(La-Fe-BC)對磷酸鹽的去除能力，發(fā)現(xiàn)經(jīng)5個吸附-解吸循環(huán)后，對磷酸鹽的吸附率高達65%，而解吸率高達88%，表明La-Fe-BC材料具有良好的重復(fù)利用性。Ahmed等[61]制備了負載納米零價鐵的磁性復(fù)合材料研究對不同污染物的去除性能，先對氯霉素進行6次吸附-解吸循環(huán)實驗后，再繼續(xù)進行對亞甲基藍的吸附實驗，發(fā)現(xiàn)亞甲基藍的吸附量高達287 mg/g，說明該材料具有較好的穩(wěn)定性和重復(fù)利用能力。

5 結(jié) 語

MBC因制備原料豐富、易于固液分離、穩(wěn)定性好及對污染物吸附能力強等優(yōu)點用于環(huán)境修復(fù)中，成為替代傳統(tǒng)吸附劑的潛在候選材料。本文綜述了MBC制備原料與方法、理化特性，總結(jié)分析了不同MBC對環(huán)境中重金屬、有機污染物以及富營養(yǎng)化物質(zhì)的去除及機理，同時從環(huán)境與資源可持續(xù)發(fā)展角度，探討了MBC再生及重復(fù)利用，發(fā)現(xiàn)MBC在環(huán)境修復(fù)方面顯示出巨大的潛力，但未進入實用化和商業(yè)化。因此，在未來研究中應(yīng)關(guān)注以下幾方面：

(1)材料應(yīng)用范圍有待擴展。MBC吸附研究主要針對單一污染物，而在實際應(yīng)用中，污染物存在情況較復(fù)雜，在未來需加強MBC在混合污染物中選擇性吸附研究。MBC在環(huán)境修復(fù)中的應(yīng)用主要集中在土壤和水體污染物方面，而對大氣污染治理的研究較少，在未來需拓展對大氣污染治理研究，確定MBC對氣體和顆粒污染物的吸附性能。另外，MBC應(yīng)用于超級電容器的研究也有待擴展。

(2)潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險尚待厘清。MBC制備原料多為廢棄生物質(zhì)，這些原料(如污泥和家禽糞便)本身含有污染物，熱解過程中會產(chǎn)生少量多環(huán)芳烴、焦油等有毒物質(zhì)。為保障MBC在商業(yè)化應(yīng)用中的安全性和生態(tài)性，在應(yīng)用前必須對MBC潛在生態(tài)環(huán)境風(fēng)險進行仔細評估。同時也有必要探究未被回收利用的MBC隨時間的推移是否生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

(3)MBC實際應(yīng)用經(jīng)濟性和技術(shù)可行性有待探明。MBC制備原料豐富且低廉，但對其改性增加了經(jīng)濟成本。因此，在工業(yè)規(guī)模上作為高效吸附材料的經(jīng)濟性仍有待提高。另外，現(xiàn)有MBC制備技術(shù)多且常用于實驗室，而應(yīng)用于大規(guī)模商業(yè)化技術(shù)較少。為提高商業(yè)化應(yīng)用經(jīng)濟性和可行性，開發(fā)一種經(jīng)濟高效、綠色環(huán)保的技術(shù)用于大規(guī)模制備MBC也有待探索。