生物炭对废水中重金属吸附探究进展

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1、生物炭对废水中重金属吸附探究进展　　摘要：生物炭（Biochar）是废弃生物材料经厌氧限温制备而形成的一种碳含量丰富的炭。由于其精密的孔隙结构和独特的表面化学性质，且廉价易加工，生物炭被广泛应用于废水重金属的修复治理中。近年来，生物炭对废水中重金属吸附的定性和定量描述已经成为研究的热点。对生物炭的概念和基本特性、生物炭吸附废水中重金属的机理与理论模型、影响吸附的因素等进行综述，并探索了生物炭吸附重金属未来的研究方向。关键词：生物炭；水污染；重金属；吸附机理；理论模型中图分类号：X7文献标识码：A文章编号：0439-8114（2013）13

2、-2984-05随着现代工农业生产的快速发展，重金属通过矿山开采、金属冶炼、金属加工及化工生产废水、化石燃料的燃烧、使用农药化肥和生活垃圾等人为污染源，以及地质侵蚀、风化等天然源形式进入水体[1]，并通过食物链危害人类的生命和健康。更为严重的是重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性及后果严重性等特点。因此，探寻重金属治理技术成为热点课题。16目前，已有许多处理技术应用于重金属污水治理中，如植物修复技术、动物修复技术、微生物修复技术[2]、海藻酸钠吸附法[3]、生物炭吸附法等。尤其是近年来兴起的生物炭技术，由于其具有多种环境效益而备受关注。

3、生物炭制备原料来源广泛，制备工艺相对简单，具有较优的理化性质，是理想的吸附材料，现已广泛应用于吸附菲[4，5]、敌草隆[5]、西维因[6]、多环芳烃[7]、重金属等多种污染物。生物炭（Biochar）是废弃生物材料通过高温热裂解的方法在缺氧或少氧的条件下形成的一类高度芳香难熔性固体物质，多由疏松多孔、排列有序的芳香环片层组成。生物炭表面多孔性特征显著，故生物炭比表面积巨大，表面能高[8-13]。这些特性使得生物炭在吸附废水中的重金属等污染物方面具有巨大的潜力。生物炭的吸附行为可以影响和改变污染物在环境中的迁移转化和生态效应，以及受污染环境

4、介质的控制和修复等[14-17]。因此，研究生物炭对废水中重金属的吸附机理与吸附特性是目前环境工作者的紧迫任务。1吸附机理16生物炭对重金属离子的吸附被认为主要是重金属离子在生物炭表面的离子交换吸附，同时还有重金属离子与其表面官能团之间的化学交联以及重金属离子在生物炭表面沉积而发生的物理吸附[18]。离子交换吸附的反应通式可表达为：2Surf-OH+M2+→（Surf-O）2M+2H+（M表示重金属，金属离子与表面酸性官能团交换）和2Surf-Ona+M2+→（Surf-O）2M+2Na+（M通常是碱基金属或碱土金属，与表面盐基离子交换）

5、[19]。由于生物炭表面的芳香性，阳离子-π作用也被认为是生物炭吸附重金属的可能机制。阳离子-π作用的本质复杂，可能有静电作用成分。李力等[19]以玉米秸秆为原料，分别在350℃和700℃下制备生物炭，研究其对Cd2+的吸附机理，在分析FTIR图谱时发现玉米秸秆生物炭具有高度芳香化和杂环化的结构，为生物炭发生阳离子-π作用吸附提供了基础。进一步分析认为阳离子-π作用发生在700℃下制备的生物炭上，且pH对整个吸附过程的影响较小。2吸附理论模型金属离子在吸附剂上的吸附行为主要取决于样品溶液的酸度、吸附时间、金属离子的浓度和吸附剂的性质等[2

6、0]。目前，已经建立一系列的吸附模型用以描述生物炭吸附金属离子的吸附行为和吸附动力学。其中常用以解析生物炭吸附等温线的理论模型是Langmuir等温式和Freundlich等温式[21]；用以解析生物炭吸附动力学的理论模型有准一级动力学模型和准二级动力学模型。1）Langmuir等温式：16式中，q为平衡吸附量，mg/g；c为吸附平衡时溶液中目标物的浓度，mg/L；qe为饱和吸附量，mg/g；b为表征吸附剂与吸附质之间亲和力的一个参数，L/mg，b越大，吸附亲和力越大。2）Freundlich等温式：式中，k为容量因子；n为指数因子；q为

7、平衡吸附量，mg/g；c为吸附平衡时溶液中目标物的浓度，mg/L。一般认为，■的数值介于0与1之间，其值的大小表示浓度对吸附量影响的强弱，■越小吸附性能越好，■在0.1～0.5则易于吸附，■>2时表示难以吸附。表1分别列出采用Langmuir理论模型和Freundlich理论模型时，不同生物炭对铅的吸附效果。Langmuir理论模型假定固体表面由大量的吸附活性中心组成，当表面吸附活性中心全部被占满时，吸附量达到饱和值，吸附质在吸附剂表面呈单分子层分布[21，22，24]。而Freundlich理论模型则是描述多层吸附，由于该理论模型没有饱

8、和吸附值，故广泛用于物理吸附、化学吸附及溶液吸附。如表1所示，不同材料和不同温度制备的生物炭对铅的吸附效果不一样。安增莉等[13]的研究中，用Langmuir模型拟合结果，参数b在RC300和