＊李培嶺 李轉(zhuǎn)玲

（廣東石油化工學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 廣東 525000）

電鍍廢水中含有銅、鎘、鎳、鉛等金屬，在環(huán)境中富集給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[1]。傳統(tǒng)治理成本和耗能高，目前重金屬廢水生物炭吸附因成本低和操作簡單而受關(guān)注，但存在重復(fù)回收及再循環(huán)利用率低等問題[2]。針對傳統(tǒng)生物炭改磁性突出固液分離優(yōu)勢，外加磁鐵進(jìn)行固液分離和回收更加方便高效[3]，尤其是在電鍍廢水處理方面潛能巨大。本文從生物炭制備和應(yīng)用以及再生循環(huán)等方面進(jìn)行分析總結(jié)，以重金屬離子為對象分析其在電鍍廢水治理應(yīng)用做出展望。

1.磁性生物炭的制備

表1 不同制備方法在磁性生物炭應(yīng)用及效果

續(xù)表

依據(jù)不同制備條件，目前實(shí)驗(yàn)室常用制備方法主要包括浸漬-熱解法、液相沉淀法、水熱/溶劑熱合成法、液相還原法、高能球磨法、溶膠凝膠法等[4]。

(1)浸漬-熱解法

浸漬-熱解法是目前實(shí)驗(yàn)室常用的制備方法之一。在鐵、鈷等過渡金屬鹽磁性前驅(qū)體溶液中，將生物質(zhì)或預(yù)處理的生物炭浸泡經(jīng)攪拌和過濾干燥后，在限氧條件下放入管式爐或馬弗爐中熱解，或者生物質(zhì)在浸漬前熱解成生物炭，浸漬干燥后再熱解[2-4]，冷卻后干燥獲得磁性生物炭[4]。

(2)液相(化學(xué))沉淀法

液相（化學(xué)）沉淀法根據(jù)反應(yīng)液中加入分析純的不同分為共沉淀法和還原沉淀法。共沉淀法是將生物炭在鐵、鈷、鎳等金屬鹽溶液中浸漬，在一定溫度下加入氫氧化鈉或氫氧化銨溶液，隨后攪拌并通過調(diào)節(jié)pH值產(chǎn)生沉淀，通過過濾、洗滌、干燥等處理以此制得磁性生物炭[5]。

(3)水熱/溶劑熱法

水熱法就是以水為溶劑，物料在密閉高壓容器內(nèi)，并經(jīng)溶解和再結(jié)晶制備[5]。例如含鐵污泥通過水熱法成功地制備了磁性生物炭，作為水體Cd2+及Pb2+吸附劑能將污染物完全去除[6]。溶劑熱合成法的溶劑以有機(jī)物代替水。例如以鐵污泥、醋酸、CoCl2為原材料，以乙二醇為溶劑成功制備了磁性復(fù)合生物炭，有助于活化PMS降解環(huán)丙沙星[3]。

(4)液相還原法

液相還原法在溶液中加入還原劑，用于制備納米零價鐵負(fù)載生物炭復(fù)合材料，促使高價態(tài)的鐵還原成低價態(tài)鐵[6-7]。有研究表明通過改性生物炭與納米零價鐵的之間協(xié)同作用，在50min內(nèi)去除92%頭孢噻肟[7]，可見在抗生素污染水體中應(yīng)用具有廣泛潛力。

(5)溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是指金屬鹽溶于水中而后加入其他組分，在一定溫度下凝膠形成后干燥處理而制成磁性生物炭，具有磁性顆粒結(jié)晶度高，分散性好等優(yōu)勢[7-8]。例如，去離子水中將硝酸鐵和硝酸鑭溶液均勻后，再加入玉米秸稈粉末和檸檬酸攪拌均勻凝膠，以此制得生物炭/LaFeO3磁性復(fù)合材料[8]。

(6)高能球磨

生物炭材料通過球磨機(jī)進(jìn)行攪拌及研磨，大幅提高粉末活性和改善分布均勻性[8-9]。例如超細(xì)磁性生物炭/Fe3O4和活性炭AC/Fe3O4雜化材料，具有石墨化多孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過2h球磨制備磁性生物炭對水中的四環(huán)素去除率較高[9]。

2.電鍍廢水中主要金屬離子治理的應(yīng)用研究

(1)鉛離子的吸附

磁性生物炭對Pb2+吸附研究表明，在pH為5.0-6.5時再生循環(huán)次數(shù)能達(dá)5-7次[10]。有研究表明負(fù)載Fe3O4納米粒子的蟹殼源生物炭對鉛離子的吸附效果非常顯著，其容量最大可達(dá)62.4mg·g-1[10-11]；通過負(fù)載MgFe雙氫氧化物的生物炭磁性強(qiáng)化，吸附污染水體鉛離子的量最大可達(dá)476.25mg·g-1[8-11]。

(2)鎘離子的吸附

FMBC上成功負(fù)載了錳氧化物，經(jīng)KMnO4處理合成了新型磁性生物炭FMBC[12]，F(xiàn)MBC對Cd2+的吸附能力經(jīng)過4次循環(huán)仍能保持在87%以上[11-12]。另外采用水熱合成成功制備了負(fù)載Mg-Fe水滑石的磁性生物炭復(fù)合材料（L-BC），最大吸附為263.156mg·g-1[12]。

(3)鎳離子的吸附

電鍍廢水中鎳離子也是主要金屬離子，利用KMnO4處理的磁性生物炭吸附量為43.291mg·g-1，而氨基改性米糠生物炭可進(jìn)一步強(qiáng)化吸附能力，吸附量最大為201.62mg·g-1，而且具有較高的循環(huán)再生次數(shù)（5次），成為污染水體鎳離子去除的重要手段[13]。

(4)銅離子的吸附

表2 磁性生物炭去除重金屬的研究

續(xù)表

Cu2+的吸附研究表明殼聚糖與磁性絲瓜生物炭的復(fù)合材料（CMLB）通過離子交換和表面絡(luò)合在18h內(nèi)達(dá)到平衡[14]。另外通過熱解制備的活性磁性生物炭（AMBCs），與Cu2+吸附遵循準(zhǔn)二級和Langmuir等溫模型[15]，這兩種磁性生物炭再生循環(huán)分別可達(dá)3次和5次[14-15]。

3.磁性生物炭再生及重復(fù)利用研究

磁性生物炭再生及重復(fù)利用，通常采用吸附飽和后的磁性生物炭進(jìn)行污染物解吸，其解吸程度決定再生利用的可行性，從環(huán)境與資源可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā)，是資源得到最大化利用的客觀需求。由于解吸劑目前種類較多且能力不同，導(dǎo)致再生的磁性生物炭對污染物的去除能力差異顯著[16-18]。已有研究記載Pb（Ⅱ）磁性生物炭的再生能力，發(fā)現(xiàn)在該解吸劑的鐵離子解吸率較低，而Pb（Ⅱ）解吸率較高，最高解吸率為91.1%，經(jīng)過再生循環(huán)去除效果有所下降[17-19]。磁性生物炭最大優(yōu)勢是能夠通過外加磁場的方式將負(fù)載污染物分離出來，與其它生物炭復(fù)合材料相比可實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用[20-22]，研究發(fā)現(xiàn)磁性復(fù)合材料（La-Fe-BC）對磷酸鹽的去除經(jīng)5個吸附-解吸循環(huán)高達(dá)65%，而解吸率高達(dá)88%，表明此磁性材料具有良好的重復(fù)利用性[23-24]。另有研究負(fù)載納米零價鐵的磁性復(fù)合材料，通過6次吸附-解吸氯霉素進(jìn)行循環(huán)實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行亞甲基藍(lán)吸附的量高達(dá)287mg/g，說明該材料具有較好的穩(wěn)定性、重復(fù)利用性和去除性能[25]。

4.結(jié)語

磁性生物炭因易于固液分離、穩(wěn)定性好及對污染物吸附能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，此外制備原料豐富，成為環(huán)境修復(fù)中傳統(tǒng)吸附劑替代的候選材料。本文綜述了磁性生物炭的理化特性以及制備原料與方法，總結(jié)分析磁性生物炭去除環(huán)境中重金屬的機(jī)理，從環(huán)境與資源可持續(xù)發(fā)展角度，通過其再生及重復(fù)利用等方面優(yōu)勢，顯示出實(shí)用化和商業(yè)化巨大的潛力。在未來研究中應(yīng)更多關(guān)注以后幾個問題：

（1）材料在復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用有待檢驗(yàn)。磁性生物炭吸附研究目前主要針對單一污染物，而在實(shí)際廢水污染物中混合污染物的存在對吸附情況的影響研究尚須加強(qiáng)。

（2）由于磁性生物炭制備原材料的（如污泥和家禽糞便）污染物，熱解過程中多環(huán)芳烴、焦油等的潛在環(huán)境風(fēng)險，有必要探究未被回收利用的磁性生物炭的環(huán)境影響。

（3）磁性生物炭經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用可行性仍需探索。雖然磁性生物炭的制備原料豐富且低廉，但其改性過程（例如耗能）增加了經(jīng)濟(jì)成本，況且現(xiàn)有制備技術(shù)多來自于實(shí)驗(yàn)室，而大規(guī)模商業(yè)化技術(shù)開發(fā)較少。針對商業(yè)化應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性和可行性，需要進(jìn)一步開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效、綠色環(huán)保的制備技術(shù)。