生物質(zhì)炭的制備及其在吸附中的應(yīng)用

丁娜娜 ，梁錦華 ，烏 蘭 ，張海霞

（1. 西北民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2. 蘭州大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

人類生存離不開水，在生產(chǎn)生活依賴水資源的同時(shí)，也在不斷地影響著水環(huán)境. 在過(guò)去的幾十年里，由于全球人口的快速增長(zhǎng)以及工農(nóng)業(yè)蓬勃發(fā)展，大量廢棄物和垃圾排放到水體，這些污染物的排放量遠(yuǎn)超過(guò)水體的自凈能力，帶來(lái)了嚴(yán)重的水體環(huán)境問(wèn)題. 吸附是一種不產(chǎn)生毒副產(chǎn)品的技術(shù)，可以以較低的成本完成污染水的凈化. 生物質(zhì)炭材料制備簡(jiǎn)單，制備原料儲(chǔ)備量大，可再生，具有高比表面積、高孔隙率以及多種官能團(tuán)等特點(diǎn)，對(duì)多種污染物具有良好地吸附作用，在吸附污染物的研究中發(fā)揮著重要作用.

1 生物質(zhì)炭定義、制備方法及表征

1. 1 生物質(zhì)炭定義

生物質(zhì)炭是在有限的供氧和合理的溫度條件下，在反應(yīng)器中熱解產(chǎn)生的生物質(zhì)富碳產(chǎn)品[1]. 國(guó)際生物質(zhì)炭協(xié)會(huì)倡議將其定義為“從生物質(zhì)碳化中獲得的固體材料”. 生物質(zhì)來(lái)源較廣，根據(jù)其來(lái)源可以分為原生生物質(zhì)、次生生物質(zhì)和處理生物質(zhì)（如表1所列）. 由于可以節(jié)約生產(chǎn)初級(jí)生物質(zhì)的成本，廢棄生物質(zhì)比初級(jí)生物質(zhì)更適合作為生物質(zhì)炭原料. 在廢棄生物質(zhì)中，動(dòng)物糞便、城市固體廢物是更有利用價(jià)值的原料，因?yàn)樗鼈冏罴?，降低了收集成本和廢物處理成本. 原料類型影響生物炭吸附污染物的能力，木質(zhì)生物炭由于原料木質(zhì)素含量較高，含有較多的酚類基團(tuán)，表面積也較大，吸附能力更強(qiáng).

表1 生物質(zhì)炭的來(lái)源分類Table 1 Source classification of biochar

1. 2 生物質(zhì)炭制備方法

制備生物質(zhì)炭一般需要經(jīng)歷兩步：碳化和活化.在一定溫度和無(wú)氧條件（氮?dú)?、氬氣等惰性氣體氛圍）下通過(guò)熱分解對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行碳化提高材料的碳含量，獲得活性炭材料[5]. 在這個(gè)階段，碳化溫度、時(shí)間、升溫速率都影響生物質(zhì)炭材料的形貌、比表面積、孔隙率及產(chǎn)率等，其中溫度影響最為顯著. Ioannidou等[6]研究認(rèn)為，碳化過(guò)程中的溫度高，導(dǎo)致初次分解和炭渣的二次分解同時(shí)進(jìn)行，導(dǎo)致氣體和液體的釋放速率大，木炭產(chǎn)量下降. 但增加固定碳和灰分的數(shù)量，減少了揮發(fā)性物質(zhì)的數(shù)量. 因此，高溫提高了木炭的質(zhì)量，但降低了產(chǎn)量. 采用低加熱速率（10~15 ℃/min）可以獲得高產(chǎn)量和低揮發(fā)性木炭，能提高聚合物組分的穩(wěn)定性.

活化過(guò)程可分為物理活化和化學(xué)活化. 活化工藝的目的是提高比表面積、擴(kuò)大孔徑、增加活性炭的孔隙率. 物理活化法是原料熱解碳化后，在活化氣體（如CO2、蒸汽、空氣或其混合物）的存在下，于相對(duì)較高溫度下進(jìn)行可控氣化過(guò)程. 物理活化法制備過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)儀器損害較小，產(chǎn)生污染物較少. 化學(xué)活化法是指將碳化的材料（稱為前驅(qū)體）與化學(xué)活化劑混合，然后對(duì)混合物進(jìn)行熱處理，再采用酸/堿和水清洗，除去浸漬劑及鹽類，形成合理的活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)[7]. 化學(xué)活化劑可以對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行刻蝕，使前驅(qū)體產(chǎn)生豐富孔隙，所以活化劑又稱為致孔劑，該方法制備的生物質(zhì)炭具有較大比表面積和較多介孔結(jié)構(gòu). 常用化學(xué)活化劑包括H3PO4、ZnCl2、K2CO3、NaOH、KOH、KCl、H2SO4等，常見活化溫度范圍為450~600 ℃（H3PO4）、400~900 ℃（ZnCl2）、700~1 000 ℃（K2CO3）、550~850 ℃（NaOH）和450 ~850 ℃（KOH）[8-12]. 不同的化學(xué)活化劑會(huì)產(chǎn)生不同的致孔效果. 在去除污染物質(zhì)時(shí)，比起其它活化劑制備的活性炭，金屬氫氧化物活化制備的活性炭具有更高的表面積，金屬氫氧化物（KOH、NaOH）活化的吸附劑吸附量更高. 與ZnCl2相比，H3PO4對(duì)環(huán)境污染更少，使用比KOH更低的活化溫度，在使用中具有較大優(yōu)勢(shì). 相比于物理活化，化學(xué)活化法具有活性炭收率高、活化溫度低、活化時(shí)間短、多孔結(jié)構(gòu)發(fā)展良好等特點(diǎn)[13]. 但化學(xué)活化法去除殘留雜質(zhì)需要消耗大量的水/酸，工藝和設(shè)備要求復(fù)雜，活化劑具有腐蝕性，會(huì)衰減儀器設(shè)備的使用壽命.

1. 3 生物質(zhì)炭的結(jié)構(gòu)表征

表2列出了生物質(zhì)炭常見表征方法. 透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）可以用于表征生物質(zhì)炭的形貌和孔徑，X射線衍射（XRD）測(cè)定生物質(zhì)炭的晶型，傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜（RM）測(cè)定生物質(zhì)炭中官能團(tuán)的種類，X射線光電子能譜（XPS）表征生物質(zhì)炭中的元素種類，熱重分析（TG）表征生物質(zhì)炭穩(wěn)定性，氮?dú)馕剑∟A）儀用于測(cè)定生物質(zhì)炭的比表面積和孔體積，Zeta電位（ZP）測(cè)定生物質(zhì)炭表面電性. 表3列出了常見生物炭的表面積等信息，表4列舉了生物炭表面常見的官能團(tuán)

表2 用于表征生物炭的儀器技術(shù)Table 2 Instrumental techniques for characterizing biochar

表3 生物炭固體的比表面積和孔體積Table 3 Specific surface area and pore volume of biochar solids

1. 3. 1 比表面積和孔隙度

比表面積（SBET）和孔隙率是影響生物質(zhì)炭吸附性能的主要物理特性. 比表面積決定了吸附目標(biāo)化合物的空間大小，而微孔、中孔和大孔的大小和分布則決定了活性炭的吸附性能. 隨著熱解溫度的升高，衍生生物炭的比表面積和孔體積一般增加. Ren等[43]發(fā)現(xiàn)，隨著熱解溫度從400 ℃升高到800 ℃，比表面積從207.53 m2/g增加到271.77 m2/g，孔體積從0.58 cm3/g增加到0.71 cm3/g，而當(dāng)熱解溫度進(jìn)一步升高至1 000 ℃時(shí)，比表面積下降至132.62 m2/g，孔體積下降至0.66 cm3/g，這可能是孔坍塌的緣故.Jin等[44]指出600 ℃下生產(chǎn)的污泥生物質(zhì)炭的表面積比550 ℃的表面積小. 550 ℃制備的生物質(zhì)炭表面孔隙率更高，當(dāng)溫度升高到600 ℃時(shí)，污泥生物質(zhì)炭表面微孔增多，但表面粗糙度下降. 除熱解溫度外，生物質(zhì)炭原料的組成對(duì)其性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，例如，Li等[45]制備不同生物質(zhì)來(lái)源的生物質(zhì)炭，在300 ℃時(shí)，不完全碳化使大部分無(wú)定型碳留在B300上，原料中脂肪族和揮發(fā)性成分可能會(huì)阻塞孔隙結(jié)構(gòu)，從而降低SBET和孔隙率. 600 ℃可以將無(wú)定形碳轉(zhuǎn)化為更致密的芳香族碳，并去除脂肪族及揮發(fā)性成分，形成更多的孔隙. 同樣在600 ℃下，雞糞生物質(zhì)炭的表面積比植物生物質(zhì)炭（松木屑和玉米秸稈）小得多，植物生物質(zhì)炭比固體廢棄物（污泥和糞便）生物質(zhì)炭有更大表面積和孔隙率.

1. 3. 2 生物質(zhì)炭的官能團(tuán)

由表4可知，生物質(zhì)炭含有豐富的官能團(tuán)，例如，C=C、-OH、-COOH等，這些官能團(tuán)在吸附中起著重要作用. 熱解溫度和生物質(zhì)炭原料是控制生物質(zhì)炭表面官能團(tuán)數(shù)量和種類的兩個(gè)關(guān)鍵因素. 生物質(zhì)炭中含氧官能團(tuán)的豐度隨溫度的升高而降低，主要是由于碳化程度的提高，隨著溫度的升高，H/C、O/C和N/C的原子比降低，表明羥基、羧基和氨基的豐度降低[46]. 不同溫度下生成的生物質(zhì)炭官能團(tuán)的FTIR光譜不同. 當(dāng)熱解溫度從100 ℃升高到700 ℃時(shí)，木材和草類生物質(zhì)炭的FTIR光譜發(fā)生了變化，木質(zhì)纖維素材料的大部分含氧官能團(tuán)損失[47]. Yuan等[48]發(fā)現(xiàn)對(duì)于來(lái)自油菜、玉米、大豆和花生秸稈的生物質(zhì)炭，隨著溫度從300 ℃升高到700 ℃，-COOH和-OH基團(tuán)對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)度下降. Fan等[49]提出了通過(guò)HNO3-H2SO4和NaOH-H2O2體系的化學(xué)氧化模擬了老化的麥草生物炭，通過(guò)增加含氧官能團(tuán)改善了生物炭表面，提高了鎘的吸附能力，最大吸附能力提高了21.2%. 氧化引起的粗糙表面是增加鎘吸附的另一個(gè)原因. 生物炭對(duì)污染物的吸附性能會(huì)隨著表面官能團(tuán)的含量變化而發(fā)生變化.

表4 生物炭的FTIR分析Table 4 FTIR analysis of biochars

1. 3. 3 生物質(zhì)炭的零電荷點(diǎn)（pHpzc）

生物質(zhì)炭的pHpzc變化和電位變化可以通過(guò)調(diào)節(jié)熱解溫度來(lái)實(shí)現(xiàn). Yuan等[48]提出生物質(zhì)炭的負(fù)電荷隨著熱解溫度的升高而降低，因此低溫?zé)峤猱a(chǎn)生的生物質(zhì)炭表面負(fù)電荷比高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的生物質(zhì)炭多. Chen等[50]在500~900 ℃溫度下對(duì)城市污泥進(jìn)行熱解. 隨著熱解溫度的升高，生物固體生物質(zhì)炭的pHpzc從8.58增加到10.17. 通過(guò)研究生物質(zhì)炭、分析物在不同pH條件的電位以及生物質(zhì)炭與分析物的pHpzc，分析哪種條件下制備的生物質(zhì)炭在較寬pH范圍內(nèi)與分析物之間存在較大靜電吸引力，選擇較合適的生物質(zhì)炭進(jìn)行吸附，以此來(lái)指導(dǎo)吸附試驗(yàn)，進(jìn)行吸附條件的優(yōu)化.

1. 3. 4 生物質(zhì)炭的礦物成分

研究生物質(zhì)炭礦物成分對(duì)提高一些污染物吸附能力具有一定作用. 生物質(zhì)炭中的礦物成分包括鉀（K）、鈣（Ca）、鎂（Mg）等，可以與重金屬交換.Chen等[50]制備的污泥生物質(zhì)炭對(duì)Cd2+的吸附明顯高于活性炭，其主要吸附機(jī)制是表面沉淀和離子交換. 釋放的Ca2+濃度隨著初始Cd2+濃度的增加而增加，表明Cd2+的一種吸附機(jī)制可能是陽(yáng)離子交換，Ca2+從礦物基質(zhì)中釋放以及位點(diǎn)被Cd2+取代. Li等[51]在不同礦物質(zhì)含量的生物炭上吸附磺胺甲惡唑，研究結(jié)果表明，生物炭中的含鈣礦物質(zhì)可能通過(guò)靜電相互作用提供額外的吸附位點(diǎn). Zhao等[52]通過(guò)XRD、XPS和SEM技術(shù)鑒定并定量了生物炭中的無(wú)機(jī)礦物，大約75%的生物炭礦物屬于與碳骨架相連的（Si和Al），這些礦物質(zhì)對(duì)雙酚A和磺胺甲惡唑吸附產(chǎn)生影響，去除礦物質(zhì)會(huì)降低雙酚A吸附，但會(huì)增加磺胺甲惡唑的吸附. 熱解溫度和原料決定生物質(zhì)炭中礦物成分的含量，隨溫度的升高，K、Ca、Mg和P在生物質(zhì)炭樣品中富集.

2 生物質(zhì)炭在吸附領(lǐng)域的應(yīng)用

常見再生水的方法如表5所列. 由表5可見，可以通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)再生水，在去除土壤和水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物時(shí)，吸附具有操作簡(jiǎn)單、低成本、無(wú)毒的特點(diǎn). 粉末活性炭、多壁（單壁）碳納米管、顆?；钚蕴?、（氧化）石墨烯、沸石、活性氧化鋁均被用來(lái)吸附污染物. 此外，樹脂、粘土、殼聚糖珠、（介孔）二氧化硅、環(huán)糊精和（樹枝狀）聚合物可從復(fù)雜樣品中吸附農(nóng)藥殘余物.

表5 常見再生水方法Table 5 Common methods of water regeneration

生物質(zhì)炭能夠吸附和截留重金屬（Pb2+、Cr3+、Cd2+、Ni2+、Cu2+等）和有機(jī)化合物（農(nóng)藥、多環(huán)芳烴、染料、抗生素），減小污染物的流動(dòng)性，從而降低污染物在環(huán)境中轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)，常被用于環(huán)境修復(fù).Zhang等[57]研究了不同加熱條件下制備的污泥生物質(zhì)炭對(duì)Pb(II)和Cr(VI)的吸附，結(jié)果表明，在400 ℃熱解2 h的生物炭獲得了最大的表面積，具有豐富的有機(jī)官能團(tuán)，具有高的Pb(II) （pH 5.0）和Cr(VI) （pH 2.0）吸附能力. Zhang等[58]以豬糞為原料制備生物質(zhì)炭，研究了西維因和阿特拉津在原生物質(zhì)炭和脫焦生物質(zhì)炭上的吸附和催化水解，發(fā)現(xiàn)除疏水作用外，孔隙填充和特異性相互作用對(duì)農(nóng)藥的吸附也有很大作用. 生物炭是一種有機(jī)灰分和無(wú)機(jī)灰分的復(fù)合物，灰分可以通過(guò)特定的相互作用與農(nóng)藥結(jié)合，但由于有機(jī)基團(tuán)的吸附位點(diǎn)被灰分掩蓋，其對(duì)農(nóng)藥的特異性相互作用被抵消. Wu等[59]使用高有機(jī)碳含量湖泊沉積物制備的生物質(zhì)炭吸附水中的菲、磺胺甲惡唑、雙酚A、氧氟沙星和諾氟沙星，發(fā)現(xiàn)雙酚A、氧氟沙星和諾氟沙星的吸附似乎不受材料表面積的控制，疏水效應(yīng)決定了菲和磺胺甲惡唑的吸附，而氫鍵可能對(duì)含有羥基（對(duì)雙酚A）或羧基（對(duì)氧氟沙星和諾氟沙星）的化合物的吸附起重要作用. Vithanage等[60]用黃瓜合成生物質(zhì)炭，并在不同pH條件下將其用于去除土壤中的磺胺甲基嘧啶（SMZ），研究結(jié)果表明，在pH值為3時(shí)，SMZ的高保留率可能是由于π-π電子供體-受體相互作用和靜電離子交換所致，而在pH值為5和7時(shí)，陽(yáng)離子交換是主要作用機(jī)制.

吸附條件影響吸附效果，下面具體討論影響吸附的因素，為吸附條件優(yōu)化提供參考.

2. 1 吸附條件優(yōu)化

2. 1. 1 水體的pH

水體的pH極大地影響了生物質(zhì)炭吸附劑表面電荷和化學(xué)物質(zhì)的形態(tài). Zeta電位可以反映生物質(zhì)炭表面電荷情況，官能團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化可以在固體顆粒表面產(chǎn)生凈電荷，在固體顆粒附近的溶液相中形成電雙層，影響物質(zhì)的傳輸與吸附. Xu等[61]測(cè)定花生和油菜秸稈焦炭的Zeta電位隨溶液pH的變化. pH值在3.0~8.0范圍內(nèi)均為負(fù)值，說(shuō)明生物質(zhì)炭顆粒表面帶負(fù)電荷. 隨著pH的增加，生物質(zhì)炭的zeta電位呈負(fù)向變化，說(shuō)明負(fù)電荷量隨pH的增加而增加. 生物質(zhì)炭的pHpzc是指其表面凈電荷為零的溶液pH值，當(dāng)溶液pH值高于pHpzc時(shí)，生物質(zhì)炭帶負(fù)電荷，結(jié)合金屬陽(yáng)離子，如Cd2+，Pb2+和Hg2+. 當(dāng)溶液pH值低于pHpzc時(shí)，生物質(zhì)炭帶正電荷，結(jié)合陰離子，如HAsO42?和HCrO4?，因此吸附質(zhì)極性相反的表面電荷決定生物質(zhì)炭在特定需求中的適用性. Huang等[62]制備了三種生物質(zhì)炭，其pHpzc分別為2.15、2.34、2.23. 當(dāng)pH值低于pHpzc時(shí)，生物質(zhì)炭帶正電荷，由于靜電排斥，不利于Cd2+的吸附，解釋了pH為2.0時(shí)吸附量低的原因. 隨著pH值升高，材料上能與金屬陽(yáng)離子結(jié)合的負(fù)電荷基團(tuán)增加，導(dǎo)致吸附容量顯著增加，達(dá)到最大吸附量.在pH值為1~5的水溶液中，鉛主要以Pb2+的形式存在，當(dāng)pH值高于6.3時(shí)，會(huì)形成氧化鉛 [Pb(OH)2]，所以可以將吸附pH范圍設(shè)置為2.0 ~ 6.0. Lee等[63]通過(guò)調(diào)節(jié)生物質(zhì)炭的pHpzc改善了生物質(zhì)炭的吸附性能.

2. 1. 2 吸附劑用量

Zhang等[64]指出隨著生物質(zhì)炭/氧化鐵復(fù)合材料用量從0 g/L增加到5 g/L，材料的去除率增加了50%，這是由于活性位點(diǎn)的增加，使亞甲基藍(lán)（MB）更容易遷移到吸附位點(diǎn). 隨著材料用量的增加，單位質(zhì)量材料的MB吸附量下降，這種下降趨勢(shì)是由于在吸附過(guò)程中吸附位點(diǎn)過(guò)飽和. 當(dāng)投加量為2 g/L以上時(shí)，去除率的提高不顯著，這可能是由于材料的團(tuán)聚，減少了可用表面積，并阻塞了一些吸附位點(diǎn). 另一方面，MB的吸附性能隨著投加量的增加而下降，這可能與單位吸附劑中MB分子數(shù)量的相對(duì)減少有關(guān)，也可能與吸附劑聚集引起的活性吸附位點(diǎn)的減少有關(guān). 很多文獻(xiàn)[65]都表明上述試驗(yàn)現(xiàn)象的存在，去除率和單位吸附量均處于相對(duì)較高值時(shí)的吸附劑用量為最佳用量，保證去除率相對(duì)較高的同時(shí)，保證吸附劑最大利用率.

2. 1. 3 污染物的濃度

較高的污染物初始濃度提供了更大的驅(qū)動(dòng)力，克服傳質(zhì)阻力，增加污染物與吸附劑之間的碰撞概率. Alsewaileh等[66]以紅棗生物質(zhì)炭為吸附劑，對(duì)水溶液中有溴化鉀進(jìn)行吸附，隨著初始濃度的增加，溴化鉀吸附量增加. Novais等[67]制備了一種混合生物質(zhì)炭，對(duì)水溶液中含磷污染物進(jìn)行吸附，當(dāng)污染物初始濃度較低時(shí)，吸附位點(diǎn)不能被完全占據(jù)，固液兩相的濃度差隨著溶液初始濃度的增加而增大，提高了材料與污染物碰撞的概率. 當(dāng)污染物濃度進(jìn)一步增加時(shí)，由于吸附劑上的吸附位點(diǎn)被占據(jù)，吸附達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，吸附量不再受濃度影響. Yavuz等[68]研究了金屬離子（Cu2+和Cr3+，初始濃度為1.0×10?4、2.0×10?4、4.0×10?4、6.0×10?4、8.0×10?4mol/L）對(duì)吸附效果的影響，在較高的初始金屬濃度下，吸附效果表現(xiàn)不佳，因?yàn)槲降慕饘匐x子相互排斥，阻礙了進(jìn)一步吸附.

2. 1. 4 吸附時(shí)間

吸附時(shí)間優(yōu)化是工藝參數(shù)優(yōu)化中必不可少的一部分，通過(guò)時(shí)間優(yōu)化可以節(jié)約時(shí)間成本，達(dá)到效益最大化. Lee等[63]制備了棕櫚油污泥生物質(zhì)炭吸附Pb2+，隨著吸附時(shí)間的增加，單位吸附量也隨之增加，但吸附速率均逐漸減慢. 90 min后，生物質(zhì)炭活性位點(diǎn)開始飽和，延長(zhǎng)吸附時(shí)間沒(méi)有顯著的影響.Yan等[65]研究了吸附時(shí)間對(duì)吸附的影響，隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)，吸附量增加，并在一定時(shí)間后達(dá)到平衡. 這是因?yàn)樵谖匠跏茧A段，材料上存在較多的吸附位點(diǎn)，吸附量上升，但隨著吸附量越來(lái)越多，暴露的吸附位點(diǎn)越來(lái)越少，最終吸附量不再變化.

2. 1. 5 離子強(qiáng)度

廢水中往往含有多種離子，研究離子強(qiáng)度對(duì)吸附性能的影響是有必要的. Yan等[69]提出由于PO43?和CO32?的共存，H2AsO3?的吸附明顯受到抑制.這一結(jié)果可以歸因于PO43?和CO32?也屬于氧陰離子，它們?cè)谖竭^(guò)程中會(huì)“搶奪”生物質(zhì)炭的吸附位點(diǎn). Ahmed等[70]提出隨著NaNO3溶液加入量增加，磁性生物質(zhì)炭對(duì)U(VI)的吸附量更高，這可能是由于Na+的電荷密度低，離子尺寸大，導(dǎo)致Na+離子與周圍的水分子而不是生物質(zhì)炭發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用. 在Reguyal等[71]的研究中，離子強(qiáng)度的增加導(dǎo)致磁性生物質(zhì)炭對(duì)磺胺甲惡唑的吸附量更高，也是由于“鹽析”效應(yīng)，高濃度的離子通過(guò)改變水的結(jié)構(gòu)和/或通過(guò)與溶質(zhì)的直接離子偶極子相互作用影響溶質(zhì)的吸附行為.

2. 1. 6 吸附溫度

溫度影響吸附速率與吸附平衡常數(shù). 首先，溫度的升高降低溶液的粘度，提高吸附質(zhì)分子在吸附劑外邊界層的擴(kuò)散速率，從而有利于吸附的發(fā)生.其次，溫度的變化會(huì)影響生物吸附劑的平衡吸附能力. 對(duì)于放熱反應(yīng)，升高溫度會(huì)降低吸附量. 對(duì)于吸熱反應(yīng)，升高溫度會(huì)升高吸附量. Egbosiuba等[72]制備了兩種生物質(zhì)炭，研究了溫度對(duì)生物質(zhì)炭吸附MB的影響，在25~50 ℃范圍內(nèi)對(duì)不同初始質(zhì)量濃度（50、100、150、200 mg/L）的MB進(jìn)行了吸附研究. 發(fā)現(xiàn)在MB質(zhì)量濃度為50、100 mg/L時(shí)，溫度影響較低，但在質(zhì)量濃度為150、200 mg/L時(shí)，溫度影響有所增加. 兩種材料對(duì)MB的吸附性質(zhì)為吸熱，隨著溫度的升高，MB吸附量的增加可能與以下幾點(diǎn)有關(guān)：（1）溫度升高使MB遷移率增加，溶液粘度降低，從而使其能夠滲透到吸附劑的孔隙中. （2）MB與材料表面官能團(tuán)的化學(xué)相互作用增強(qiáng). （3）與MB溶解度相關(guān)的化學(xué)勢(shì)變化.

生物質(zhì)炭可用于污染物直接吸附，也在污染物檢測(cè)方面發(fā)揮了重要作用. 為了準(zhǔn)確靈敏的完成測(cè)試任務(wù)，很多樣品在分析前要進(jìn)行富集和與分離.目前樣品前處理技術(shù)包括固相萃取、固相微萃取（SPME）、液相微萃取等. 其中固相萃取和微萃取均需要一定的吸附劑或涂層，而生物質(zhì)炭可以單獨(dú)充當(dāng)吸附劑或涂層，也可以與其它材料（金屬有機(jī)框架、共價(jià)有機(jī)框架、分子印跡、量子點(diǎn)等）復(fù)合使用.QuEChERS方法（即快速、簡(jiǎn)單、廉價(jià)、有效、堅(jiān)固和安全）將液相萃取與固相萃取相結(jié)合，成為樣品前處理領(lǐng)域最綠色和可持續(xù)的方法[73]. Cao等[74]建立了超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（UPLC-MS/MS）用于測(cè)定6種殺菌劑殘留量，在改進(jìn)的QuEChERS樣品處理方法中，目標(biāo)化合物采用乙腈提取，生物炭、多壁碳納米管（MWCNT）和石墨化炭黑（GCB）完成雜質(zhì)吸附. Adenuga等[75]以椰殼生物質(zhì)炭為固相微萃取吸附劑，采用改進(jìn)的QuEChERS法作為樣品制備技術(shù)，測(cè)定了哺乳期婦女母乳和尿液樣品中鄰苯二甲酸酯的含量. Li等[76]采用磁分散固相萃取和高效液相色譜/紫外相結(jié)合的方法，建立了一種快速、靈敏的紅糖樣品中三嗪類化合物的富集和提取方法. 該研究以低成本甘蔗渣為原料制備了一種磁性多孔生物炭（MPB），并成功從實(shí)際樣品中提取富集痕量三嗪類化合物. Xie等[77]將低成本的廢生物質(zhì)牛骨炭化，得到氮氧共摻雜分級(jí)多孔生物炭（NHPBC）. NHPBC具有比表面積高、雜原子充足等突出優(yōu)勢(shì). 該文系統(tǒng)研究了NHPBC對(duì)各種有機(jī)污染物的富集性能，證明制備的NHPBC適用于對(duì)鄰二甲苯及其羥基代謝物的高效富集. NHPBC包覆纖維的富集因子在2 384~6 949之間，是商用SPME纖維富集因子的11.1~92.5倍.

2. 2 生物質(zhì)炭回收

生物質(zhì)炭多數(shù)是粉末狀，在吸附污染物之后需要通過(guò)離心、過(guò)濾、沉淀等方法進(jìn)行固液分離來(lái)回收. 通過(guò)制備磁性生物質(zhì)炭可以解決固液分離的困難[78-80]. 解決固液分離問(wèn)題的另一個(gè)途徑，便是賦予生物質(zhì)炭能夠便于分離的形態(tài)，以便將生物質(zhì)炭輕松從處理過(guò)的水相中取出. 例如，Ma等[80]在木材內(nèi)外表面原位生長(zhǎng)ZIF-67，得到復(fù)合材料，并通過(guò)碳化合成了親水磁性生物質(zhì)炭，制備的生物質(zhì)炭不僅具有磁性，又是塊狀結(jié)構(gòu)，解決了粉末生物質(zhì)炭難以回收的問(wèn)題.

3 結(jié)論

生物質(zhì)炭的制備原料一般來(lái)源于廢棄物，廢棄物再利用對(duì)實(shí)現(xiàn)減排具有重要意義. 生物質(zhì)炭表面性質(zhì)與原料具有明確相關(guān)性，造就了該類材料的多樣性，大的比表面積使其成為極具競(jìng)爭(zhēng)力的吸附劑.該類材料不僅在吸附分離領(lǐng)域占據(jù)重要位置，也在催化和電化學(xué)等其它領(lǐng)域占有一席之地.