微波生物炭制備影響因素及其環(huán)境應(yīng)用進(jìn)展

王 林，陳楊武，周后珍，譚周亮，王 歡

（1.成都大學(xué)，四川成都 610106；2.中國科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；3.四川省環(huán)境微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

農(nóng)林廢棄物是我國主要的生物質(zhì)資源之一，其產(chǎn)量已超過21 億t，開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)廢棄物資源化利用的重要方式。農(nóng)林廢棄物在缺氧或無氧條件下，可通過熱解產(chǎn)生輕質(zhì)、多孔生物炭〔1-2〕并用于環(huán)境修復(fù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多級化利用。生物炭制備方法較多，其中傳統(tǒng)慢速熱解法主要依靠外部加熱、炭化或氣化，利用對流及熱傳導(dǎo)機(jī)制傳遞能量，該方法技術(shù)成熟、投資成本低，但具有生產(chǎn)時間長、加熱效率低、加熱不均勻等缺點(diǎn)。近年來微波快速熱解制備生物炭成為了新的研究方向，其利用介電加熱原理使原料中的極性分子在高能量、強(qiáng)穿透性的微波作用下極化形成偶極子，隨微波交變電場的高頻振蕩，互相摩擦碰撞產(chǎn)生高熱，將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能并在原料內(nèi)部不斷累積，形成由內(nèi)到外的溫度梯度，從而利于揮發(fā)物擴(kuò)散〔3〕，因此微波熱解具有加熱速率快、選擇性高等優(yōu)勢，所制備的生物炭在比表面積、微孔、中孔體積等方面質(zhì)量更高〔1，4-6〕，通常被認(rèn)為是低成本生產(chǎn)生物炭的有效技術(shù)之一〔7〕。微波熱解農(nóng)林廢棄物制備的生物炭由穩(wěn)定的芳香族、單質(zhì)碳、未反應(yīng)的有機(jī)化合物、固體顆粒和極性組分如羥基、羧基和氨基等組成〔1〕，已成功應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域中的水體修復(fù)如重金屬、染料、生活污水等處理，或土壤修復(fù)以提高土壤肥力、保水能力等，應(yīng)用前景廣闊。前人綜述主要集中在傳統(tǒng)生物炭制備影響因素、微波熱解產(chǎn)生物油影響因素等方面，但在微波生物炭制備影響因素及其環(huán)境應(yīng)用方面尚缺乏綜合性報道。因此，筆者從生物質(zhì)微波熱解產(chǎn)生物炭影響因素及其環(huán)境應(yīng)用等方面綜述了微波生物炭的國內(nèi)外研究進(jìn)展，分析了當(dāng)前研究存在的問題，并提出未來研究方向，以期為微波生物炭的制備及應(yīng)用提供理論參考。

1 微波熱解制備生物炭的影響因素

生物質(zhì)的來源、特性及工藝參數(shù)決定微波熱解生物炭產(chǎn)量和質(zhì)量〔7〕，具體影響因素可分為原料組成、濕度、粒徑、熱解溫度、熱解時間、微波功率、微波吸收劑等。這些影響因素可不同程度改變生物質(zhì)的熱解速率、生物炭的孔徑等，從而影響生物炭的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.1 原料組成

微波熱解制備生物炭的原料以木質(zhì)纖維素生物質(zhì)為主，不同木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的組成見表1。大量學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)纖維素生物質(zhì)主要由纖維素（31%～61.65%）、半纖維素（16.14%～31.37%）、木質(zhì)素（14.46%～49%）等組成，且不同原料中各成分具有不同熱解特征，對生物炭特性具有顯著影響?？傮w而言，微波熱解木質(zhì)纖維素生物質(zhì)制備生物炭可分為4 個階段：（1）低于120 ℃時，主要去除輕質(zhì)揮發(fā)性成分及水分子；（2）220～315 ℃，半纖維素開始分解；（3）315～400 ℃，木質(zhì)素和纖維素開始分解；（4）高于450 ℃，木質(zhì)素完全分解〔8〕。報道指出，木質(zhì)素是影響生物炭產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其熱解制備生物炭的產(chǎn)量最高達(dá)65%，遠(yuǎn)高于纖維素和半纖維素，可能是因?yàn)槔w維素和半纖維素?zé)峤庵饕尫艙]發(fā)性物質(zhì)以及產(chǎn)生以醛、酮、呋喃等為主要成分的生物油，而木質(zhì)素具有高度芳香結(jié)構(gòu)，熱解主要產(chǎn)生高固定碳含量、高比表面積的生物炭〔9-12〕，在吸附污染物方面優(yōu)勢更加明顯。因此，具有更高木質(zhì)素組分的生物質(zhì)熱解，其生物炭產(chǎn)量和質(zhì)量可能更高。

表1 不同木質(zhì)纖維素生物質(zhì)中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的組成Table 1 Composition of cellulose，hemicellulose and lignin in different lignocellulosic biomass

1.2 原料濕度

濕度是影響微波生物炭性能的另一重要因素。水分子是一種良好的微波吸收劑，濕度增加引起介質(zhì)損耗角（tanδ）升高，提高熱解速率；同時溫度也會影響濕度。當(dāng)溫度升高時（23～440 ℃），柳枝稷的tanδ從0.064 降 至0.003，歸 因 于 溫 度 升 高（101～120 ℃）后導(dǎo)致水分蒸發(fā)及揮發(fā)性物質(zhì)的釋放（180 ℃）〔19〕，這將使得生物質(zhì)的微波吸收能力減弱，即使微波功率不斷增加，但最終熱解溫度仍可能低于200 ℃〔17〕，而低溫不足以實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)原料完全炭化。響應(yīng)面優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明，隨著濕度升高（3%～15%），生物炭產(chǎn)量呈先降低后增加的趨勢（74.9%～85.7%）〔20〕，可能與高濕度下水分子蒸發(fā)后不能及時排出，參與了部分次級反應(yīng)有關(guān)。A.N.ROLLINSON等〔21〕對比了7%與17%濕度下制備的生物炭質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者的固定碳含量、比表面積、微孔容積、微孔面積等比后者分別提高了27%、60%、67%、62%，且灰分降低了45%，表明濕度是影響生物炭質(zhì)量的關(guān)鍵因素。綜合來看，7%～10%的濕度可能更有利于提高生物炭的產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.3 原料粒徑

不同粒徑對生物炭產(chǎn)量的影響見表2。通常，原料粒徑越低，堆積密度越大，具有的表面積越大，理論上更有利于熱傳導(dǎo)，所制備的生物炭產(chǎn)量更高。Hui SHANG 等〔22〕利用微波熱解木屑發(fā)現(xiàn)0.25～0.50 mm 可產(chǎn)生質(zhì)量分?jǐn)?shù)為63.74%的生物炭，遠(yuǎn)高于大粒徑，可能歸因于提高粒徑降低體積密度將導(dǎo)致電磁波分布不均勻，減少生物炭的產(chǎn)量。然而，大多數(shù)研究均認(rèn)為，微波能處理大范圍的顆粒尺寸，對生物炭產(chǎn)量影響較小。Y. F. HUANG 等〔23〕研究發(fā)現(xiàn)粒徑從0.85 mm 降低至0.425 mm，加熱速率和最終熱解溫度均會提升，200 W 時熱解溫度提高了近69 ℃，但生物炭產(chǎn)量僅降低了10%，這可能與太小的粒徑（<0.25 mm）抑制原料顆粒內(nèi)部的傳熱，導(dǎo)致熱解效率降低有關(guān)〔18〕。另有研究指出，當(dāng)粒徑<0.085 mm 或>2 mm 時，都需增加輸出功率，才能在無金屬氧化物和碳化硅之類的微波吸收劑的情況下進(jìn)行熱解〔24〕。Lei ZHU 等〔26〕利用中心組合設(shè)計法考察了不同粒徑、溫度、時間范圍內(nèi)的微波玉米秸稈生物炭質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)每g 碳總的堿性官能團(tuán)為0.12～1.03 mmol，每g 碳酸性官能團(tuán)為0.27～1.70 mmol，而0.5～4 mm 粒徑對官能團(tuán)的影響無顯著性。因此，粒徑可在一定程度上影響生物炭的產(chǎn)量，但對生物炭的質(zhì)量影響有限。

表2 不同粒徑對生物炭產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of different particle size on the yield of biochar

1.4 熱解溫度及熱解時間

熱解溫度、熱解時間同樣會影響微波生物炭的產(chǎn)量、質(zhì)量等。傳統(tǒng)加熱和微波加熱相比，后者生物炭產(chǎn)量相對更低，可能是微波加熱速率（51～70 ℃/min）遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加熱速率（10～20 ℃/min）〔30-31〕，其產(chǎn)生的CO2和生物炭之間發(fā)生自氣化反應(yīng)，可進(jìn)一步還原為CO 降低產(chǎn)量，同時促進(jìn)生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)展，提高比表面積〔32〕。此外，熱解溫度通常影響生物炭固定碳含量、pH、表面電荷、穩(wěn)定性、揮發(fā)性成分和其他物理化 學(xué) 性 質(zhì) 等。Ci FANG 等〔33〕研 究 發(fā) 現(xiàn)，當(dāng) 溫 度 從300 ℃升至600 ℃時，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從48.83%增至70.64%，與脫羧基和脫氫作用有關(guān)，但溫度進(jìn)一步升高時，可能會引起微孔坍塌堵塞，導(dǎo)致比表面積降低。大量研究發(fā)現(xiàn)，生物炭中的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)隨熱解溫度升高而增加，不穩(wěn)定的非芳香環(huán)結(jié)構(gòu)的含量降低，生成的生物炭極性、酸性官能團(tuán)（如—COOH）和產(chǎn)率降低，但固定碳含量、pH、表面積增加。此外，熱解時間對生物炭產(chǎn)量和質(zhì)量的影響已被多位研究學(xué)者所證實(shí)，但具體影響機(jī)制不清。F.MOTASEMI等〔34〕研究發(fā)現(xiàn)，短加熱時間能產(chǎn)生高表面積。然而，Lei ZHU 等〔26〕將加熱時間從10 min 延長至15 min 時，比表面積從9.1 m2/g 增加到45 m2/g，孔徑從0.009 cm3/g增加至0.021 cm3/g。類似的研究發(fā)現(xiàn)，時間延長了7 min，比表面積從40 m2/g 上升至450 m2/g，而生物炭的平均孔徑降低了近4 倍〔35〕，表明熱解時間并不是生物炭產(chǎn)量和質(zhì)量的唯一決定因素。綜上，考慮到經(jīng)濟(jì)可行性，并結(jié)合原料類型及性質(zhì)，推薦制備微波生物炭的溫度為450～700 ℃，熱解時間為7～15 min，在此范圍內(nèi)可獲得生物炭產(chǎn)量與質(zhì)量的平衡點(diǎn)。

1.5 微波功率

微波功率主要通過改變熱解速率和最終熱解溫度引起生物炭產(chǎn)量和質(zhì)量變化。通常，增加功率導(dǎo)致固體產(chǎn)量降低，可歸因于微波熱解過程中形成炭后自氣化〔36〕。其他研究發(fā)現(xiàn)，微波功率從400 W 增至900 W，焦炭產(chǎn)率從28.04%降至16.57%〔26〕，與熱解速率提升（5～141 ℃/min）后導(dǎo)致固體殘留物熱值整體呈下降有關(guān)〔23〕，表明微波功率是影響生物炭產(chǎn)量的主要因素。另有研究發(fā)現(xiàn)微波功率對生物炭產(chǎn)量的影響存在最值，可能是由于樣品分解完全、固體分解與再聚合形成炭狀含碳材料之間達(dá)到動態(tài)平衡〔37〕。然而，微波功率增加時，也可提高生物炭其他特性。當(dāng)微波功率從300 W 上升至500 W 時，生物炭的比表面積、朗格繆爾表面積、中孔表面積分別為165.74～274.49、233.88～372.11、130.93～196.10 m2/g，其中比表面積增加了1.6 倍〔23〕，表明高功率可提升總孔徑和中孔含量，可視為理想吸附劑制備的有效手段。類似研究表明當(dāng)微波功率繼續(xù)增加至600 W 時，可破壞管束結(jié)構(gòu)，引起生物炭孔隙堵塞〔38〕。因此，微波功率不斷增加可降低生物炭產(chǎn)量，但能一定程度提高質(zhì)量。

1.6 微波吸收劑

微波吸收差時，輻射源的溫度增加緩慢，可能不發(fā)生熱解，可通過選擇合適的微波吸收劑進(jìn)行改善。微波吸收劑主要分為兩類，一類是以金屬型為主，包括金屬、金屬氧化物、金屬氫氧化物，如Fe、Al、CuO、CaO、MgO、Fe3O4、NiO、NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3、CaCO3、FeCl3、ZnCl2等可同時實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)的裂解和催化，有效提高產(chǎn)品質(zhì)量；另一類是炭基微波吸收劑，如活性炭、石墨、焦炭、碳化硅等，可在低功率下提供高加熱速率，更易于生物質(zhì)混合均勻〔24，39〕。研究發(fā)現(xiàn)，SiC可提高生物炭產(chǎn)量，同時NaOH 和K2CO3會通過降低氣體產(chǎn)率來提升固體產(chǎn)量〔8〕。對 比NaOH、NaCl、Na2CO3、Fe2（SO4）3、H3PO4、Na2SiO3、TiO2、HZSM-5、SiO2、Al2O3等不同微波吸收劑制備干松樹木屑微波生物炭的研究發(fā)現(xiàn)，只有TiO2、H3PO4、Fe2（SO4）3可能提高生物炭產(chǎn)量〔40〕。KOH、李子核按質(zhì)量比0.4∶1 浸漬24 h，700 W 加熱12 min，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過KOH 活化之后的微波生物炭，展現(xiàn)出更好的孔徑表面，其粗糙度和多孔性促進(jìn)其吸收其他物質(zhì)〔41〕。其機(jī)理主要表現(xiàn)為KOH 在400 ℃左右會形成K2CO3，并且在600 ℃左右完成分解。在微波活化期間（>600 ℃），在碳質(zhì)結(jié)構(gòu)存在下形成的K2CO3，分解成極不穩(wěn)定的金屬鉀，可爆炸性地反應(yīng)，擴(kuò)大碳晶格并產(chǎn)生氣孔，從而更有效地形成微 孔。R. K. LIEW 等〔42〕以NaOH、KOH 和NaOH+KOH 為微波吸收劑，對比三者制備出的棕櫚油殼生物炭特性。從吸收劑濃度來看，NaOH+KOH 混合物浸漬比越低，生物炭產(chǎn)量越高，可能是高浸漬比會促進(jìn)更多揮發(fā)性物質(zhì)釋放；氫氧化物過多時，生物炭中的羥基-芳香基鍵被破壞，導(dǎo)致含碳組分以CO2、CH4等方式去除；從吸收劑種類看，生物炭產(chǎn)率NaOH（83%）>NaOH+KOH（79%）>KOH（73%），因?yàn)镵OH的堿度高于NaOH，Na 鹽離子化能更高，其與羥基之間結(jié)合更緊密〔42〕；所制備的微波生物炭最高比表面積可達(dá)1 320 m2/g，含有的微孔、中孔較多，具有良好的吸附能力。B. A. MOHAMED 等〔43〕以K3PO4、膨潤土、斜發(fā)沸石共熱解柳枝稷制備微波生物炭，是基于K3PO4的較好微波吸收能力，但是會抑制半纖維素的液化作用，導(dǎo)致催化劑焦炭的增加；而膨潤土有較高的熱導(dǎo)能力，不會抑制半纖維素的分解，但是微波吸收能力差〔44〕。將兩者結(jié)合，可以增加微波吸收速率，減少含氧焦炭的形成，從而進(jìn)一步提高微波吸收〔4〕。因此，可依據(jù)污染物特性，選擇性添加微波吸收劑，平衡微波生物炭產(chǎn)量與質(zhì)量。

2 微波生物炭在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用

微波生物炭在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括水體修復(fù)和土壤修復(fù)兩方面。微波生物炭表面通常表現(xiàn)為負(fù)電荷、堿性，利用靜電吸引、π-π 相互作用、氫鍵結(jié)合等機(jī)理，在吸附重金屬、染料等陽離子物質(zhì)及改善酸性土壤方面表現(xiàn)出優(yōu)異特性。水體修復(fù)以重金屬、染料吸附為主，也有部分研究涉及其他污水處理，土壤修復(fù)以改善土壤生理生化性質(zhì)為主要手段。

2.1 水體修復(fù)

2.1.1 重金屬吸附

高濃度的重金屬嚴(yán)重危害水體環(huán)境及人類健康。微波生物炭具有較多的羥基、羧基等帶負(fù)電荷的官能團(tuán)，對帶正電荷的金屬離子表現(xiàn)出較好的吸附效果。研究發(fā)現(xiàn)，在無任何微波吸收劑的條件下所制備的稻草秸稈生物炭，在pH=5 時，Cu2+的最大吸附量可達(dá)52.36 mg/g〔23〕，與適當(dāng)提高熱解溫度增強(qiáng)比表面積有關(guān)。眾多學(xué)者考察了酸、堿、金屬鹽改性等預(yù)處理手段對重金屬的吸附效果。Boxiong SHEN 等〔45〕報道通過酸處理（HCl）和浸漬處理（ZnCl2或NH4Cl）醫(yī)療廢棄物，制備的微波生物炭用于吸附汞，HCl 處理微波生物炭前后吸附量分別為30.5 μg/g 和371.0 μg/g，這可能是因?yàn)樗崽幚順悠分泻写罅康牧u基功能組和氫鍵；但是通過NH4Cl 浸漬處理的微波生物炭對汞的吸附量為1 068 μg/g，其含有更大的表面積（24.9 m3/g）和更多的孔徑，對汞的去除效果最優(yōu)。利用NaOH 和HCl 活化制備的棕櫚油殼微波生物炭，發(fā)現(xiàn)酸活化的生物炭的表面積比原材料增加76.05%，對鎳、銅、鉻離子的最大吸附量分別為40.98、13.69、40.60 mg/g，主要表現(xiàn)為非均一性吸附〔46〕。以小麥秸稈為原材料，鐵磁流體為重要微波吸收劑，利用一步合成的方式在900 W 的條件下制備鐵磁生物炭用于吸附砷（As）和甲基藍(lán)，結(jié)果表明在pH=4，微波生物炭對As的最大吸附量為25.6 mg/g，而傳統(tǒng)生物炭幾乎無效果〔47〕。N.M.MUBARAK 等〔48〕在900 W、20 min、生物質(zhì)和FeCl3浸漬比為0.5 的條件下，所制備的新型磁性生物炭可去除87%的砷，與高達(dá)890 m2/g 的比表面積密不可分。類似研究發(fā)現(xiàn)〔49〕，磁性微波生物炭在去除廢水中的鈣、鉛金屬離子方面也效果顯著。因此，由于微波熱解具有加熱速率快、加熱均勻等特點(diǎn)，同時制備的生物炭本身表面含有豐富的陰離子官能團(tuán)，在吸附重金屬方面比傳統(tǒng)熱解生物炭具有更顯著的優(yōu)勢，是微波生物炭應(yīng)用的重要領(lǐng)域。

2.1.2 染料吸附

染料廢水具有高COD、高色度等特點(diǎn)，是目前難處理的工業(yè)廢水之一。近年來，不少學(xué)者展開利用微波生物炭進(jìn)行染料吸附的相關(guān)研究。無微波吸收劑時，在550 ℃以2 ℃/s 的速率熱解15 min 制備雪蒿微波生物炭，用于0.025 g/L CuSO4與0.5 g/L 亞甲基藍(lán)的共存溶液中，發(fā)現(xiàn)亞甲基藍(lán)的最高吸附量可達(dá)140.56 mg/g〔50〕。單純的微波熱解制備的糖醛生物炭對亞甲基藍(lán)的吸附量為59 mg/g，而添加CaO 和K2CO3可適當(dāng)程度提高染料的去除率〔51〕，掃描電鏡圖分析發(fā)現(xiàn)不同微波吸收劑影響最終熱解溫度，將不同程度引起揮發(fā)性有機(jī)物釋放，導(dǎo)致生物炭表面膨脹、破裂、粗糙化，帶有多種凸起，可顯著增加比表面積、改善孔徑，從而影響微波生物炭對污染物的吸附效果〔38〕。報道指出香蕉皮的tanδ為0.375，具有良好的吸收微波的能力，在NaOH、KOH 為微波吸收劑條件下制備的香蕉皮生物炭可去除90%的孔雀石綠〔52〕，表明良好原材料組成是去除污染物的重要影響因素之一。另有學(xué)者通過K2CO3制備的橘子皮微波生物炭吸附處理甲基藍(lán)廢水，對甲基藍(lán)的吸附效果可達(dá)171.15 mg/g，遠(yuǎn)高于原材料（56.52 mg/g），兩者區(qū)別可歸功于微波生物炭的高孔徑，其在浸漬和熱解過程中，K2CO3會不斷進(jìn)入生物炭孔內(nèi)徑中，從而增加表面積和孔徑〔53〕。有相似研究發(fā)現(xiàn)水果皮微波生物炭對甲基藍(lán)的吸附量達(dá)到265 mg/g〔54〕。雙氧水浸漬48 h 后450 W 微波熱解制備的牧豆樹生物炭用于吸附孔雀藍(lán)和甲基藍(lán)，最大吸附量分別為40.3 mg/g和34.8 mg/g；提高功率至600 W，吸附量分別提升至45.1 mg/g 和44.5 mg/g，這與比表面積（330.4～357.0 m2/g）、孔徑（250.1～274.4 m2/g）、孔容（0.12～0.13 cm3/g）的提升密切相關(guān)〔55〕。由此可知，高功率、大多微波吸收劑等條件下制備的高比表面積生物炭，對污染物的去除效果與比表面積等孔隙參數(shù)、功能基團(tuán)等具有顯著相關(guān)性。然而，目前所報道的染料大多為陽離子型染料，同重金屬一樣，其吸附性能與微波生物炭本身的特性密不可分。

2.1.3 其他污水處理

微波生物炭可處理棕櫚油廠廢水、氮磷廢水、抗生素廢水、藥物廢水等。以KOH、NaOH 以及KOH+NaOH 為前體，負(fù)載Ni/Al 制備的微波棕櫚油殼生物炭，用于處理棕櫚油廠廢水，對總固體懸浮物（TSS）、油脂、BOD、COD 具有較好的處理效果，最佳條件下去除率分別為57.20%、83.53%、84.55%、88.89%，且生產(chǎn)成本為4～10 美 元/kg〔42〕。900 W、600 ℃、活性炭添加量為20%條件下制備的稻殼微波生物炭經(jīng)弱酸洗滌后，比表面積為190 m2/g，主要為中孔，用于尾水處理中的氮磷吸附，結(jié)果表明，硝酸鹽和磷酸鹽的最大吸附量分別為497 mg/kg 和71 mg/kg，最大去除率分別為75%和65%，所得飽和吸附產(chǎn)品經(jīng)過解吸后可提取220 mg 硝酸鹽和68 mg 硝酸鹽用于土壤改善〔56〕。張學(xué)良等〔57〕利用微波輔助合成gamma-Fe2O3/花生殼磁性生物炭復(fù)合材料，其對環(huán)丙沙星的吸附量為8.30 mg/g，吸附容量是傳統(tǒng)法制備的1.8 倍，與微波熱解提高了生物炭的比表面積、孔隙容積及gamma-Fe2O3顆粒分散度密切相關(guān)，F(xiàn)e2O3顆粒細(xì)小且均勻，可避免因團(tuán)聚導(dǎo)致孔道堵塞，且微波作用下，F(xiàn)e—O 官能團(tuán)特征峰顯著增加，能利用電子供體-受體相互作用進(jìn)一步提高環(huán)丙沙星的吸附效果。微波輔助熱解制備的Fe2O3/生物炭的比表面積、中孔容積、微孔容積分別為786 m2/g、0.409 cm3/g、1.534 cm3/g，對水楊酸、萘普生、酮洛芬的最大吸附量分別為683、533、444 mg/g〔58〕。以上研究表明，微波生物炭用于有機(jī)物含量高的廢水具有獨(dú)特優(yōu)勢，但是在處理硝酸鹽、磷酸鹽等陰離子廢水方面仍存在不足。

2.2 土壤修復(fù)

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境和人類健康，針對土壤生理生化特性衰退的問題，土壤修復(fù)成為近年來的重要任務(wù)和研究熱點(diǎn)。微波熱解制備的柳枝稷工程生物炭，具有較好的水土保持能力和陽離子交換能力，可以用于土壤修復(fù)。熱解過程中添加了不同濃度的K3PO4、斜發(fā)沸石、膨潤土作為微波吸收劑，可以提高生物炭的表面積和植物磷營養(yǎng)含量。研究發(fā)現(xiàn)，在2%的土壤負(fù)荷下，添加10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）K3PO4+10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）斜發(fā)沸石比對照組（無生物炭）、10%斜發(fā)沸石的水土保持能力分別高98%和57%；與單一微波吸收劑相比，復(fù)合微波吸收劑具有協(xié)同作用，可能是由于微波加熱速率提高導(dǎo)致生物炭微孔率增加〔59〕。此外，玉米秸稈微波生物炭和柳枝稷微波生物炭同時施用在酸性土壤中，發(fā)現(xiàn)前者更能增加土壤的pH，對土壤的修復(fù)效果更好〔60〕。甘蔗渣微波生物炭在熱解過程中產(chǎn)生的糖醛，可以用作土壤改良劑，尤其對紅壤的改土增產(chǎn)效果顯著：盆栽大豆出苗率比對照提高33.3%，盆栽白菜抗旱存苗率比對照提 高2.3 倍〔61〕。然 而，M. KOLTOWSKI 等〔62〕發(fā) 現(xiàn) 生物炭的活化既有正面的影響也有負(fù)面的影響，其與活化方法、生物測定種類和土壤種類有關(guān)。通常，微波活化的生物炭能降低生態(tài)毒性，可能與其低O/C比、高穩(wěn)定孔徑提供更多微生物附著位點(diǎn)，促進(jìn)植物生長有關(guān)；但是被CO2活化的生物炭常引起負(fù)面影響，表現(xiàn)為退化或無有效作用，可能與其活化溫度（800 ℃）遠(yuǎn)高于微波（200 ℃），造成營養(yǎng)物質(zhì)流失有關(guān)；此外，研究還表明生物炭比表面積的增加可顯著降低土壤中滲濾液的毒性。因此，微波生物炭用于土壤修復(fù)是目前的研究熱點(diǎn)，也是目前微波生物炭應(yīng)用的主要場景之一。

3 目前研究空缺及未來發(fā)展方向

生物質(zhì)類原材料主要含羧基、羥基等陰性功能基團(tuán)，通過靜電作用能較好吸附陽離子型物質(zhì)，因此目前關(guān)于微波生物炭的研究主要集中在微波生物炭制備過程的影響因素，微波生物炭對重金屬、染料等陽離子物質(zhì)的去除效果。盡管有部分研究指出微波生物炭能吸附陰離子類污染物，但吸附容量低、去除效果差。因此，在環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域的現(xiàn)有研究主要停留在實(shí)驗(yàn)室階段，工程應(yīng)用較少。為了推動微波生物炭在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，未來研究方向可能集中在以下幾個方面：

（1）陰離子吸附。微波生物炭去除陽離子型污染物（重金屬、陽離子染料如甲基藍(lán)等）已被眾多學(xué)者證實(shí)，但是在吸收陰離子污染物方面，報道較少。而各種污廢水排放指標(biāo)中大多會涉及到硝氮、亞硝氮、磷酸鹽等陰離子型污染物，因此需要根據(jù)陰離子型污染物的特征如粒徑和電荷、應(yīng)用場景等結(jié)合原料類型，利用微波吸收劑的不同特點(diǎn)，選擇性地負(fù)載功能基團(tuán)從而研發(fā)和制備具有特殊功能的微波生物炭。

（2）微波生物炭與其他工藝耦合。微波生物炭可以通過固定化技術(shù)負(fù)載功能菌，以提高某類污染物的去除率。目前已有研究表明生物炭和固定化微生物技術(shù)耦合能去除有機(jī)污染物，但微波生物炭與不同工藝中微生物耦合對污染物的去除機(jī)制仍不明晰。

（3）微波工程生物炭的環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益。以調(diào)控原料成分、優(yōu)化工藝參數(shù)為主要手段而制備的微波生物炭，需要研究在各種土壤、環(huán)境條件下的最佳生產(chǎn)路線，提高各類微波工程生物炭的效率，通過建模和實(shí)證的方式定量評估其環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的重要基礎(chǔ)。