1、第 52 卷第 2 期 辽 宁 化 工 Vol.52，No.2 2023年2月 Liaoning Chemical Industry February，2023 收稿日期收稿日期：2022-04-18 作者简介作者简介：刘艳（1996-），女，辽宁省阜新市人，满族，硕士，研究方向：生物炭吸附废水处理。通信作者通信作者：亢涵（1982-），女，副教授，研究方向：水资源利用及污染控制。生物炭的改性 及其在环境污染控制中的应用进展 刘艳，杜艺彤 （沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，辽宁 沈阳 110168）摘 要：生物炭是一种绿色环保的新型吸附材料，有效应用于环境污染控制领域。通过物理、化学及生物方
2、法改性生物炭可以强化其功能，显著提高其活性，有利于生物炭的高效利用，增强在环境修复中的应用潜力。对近年来有关改性生物炭的文献进行系统分析，总结并探讨了生物炭的改性方法及改性生物炭在环境领域的应用，最后对生物炭的应用研究提出了展望。关 键 词：生物炭；改性；应用 中图分类号：TQ424 文献标识码：A 文章编号：1004-0935（2023）02-0276-04 生物炭是生物质原料通过燃烧裂解产生的碳分子固体，生物质原料包括动物排泄物、农业秸秆以及生活垃圾产生的固体废物等1。生物炭正以其良好的理化性能、内部孔隙发达以及吸附能力强等优点广泛应用于水体污染控制、土壤修复、农业发展等领域2。但生物炭因
3、密度低、粒径小、不易与水分离等缺点很大程度上限制了应用，这使其对环境中污染物的去除与活性炭相比并无明显优势3。因此研究生物炭的制备及改性问题已成为近年的热点，大量研究表明改性后的生物炭对污染物的修复效果优于原始生物炭，其在气候变化、农业发展以及环境生态修复方面起到巨大作用。1 生物炭的改性方法 生物炭的改性和应用已成为当下热点，大量研究表明生物炭及其改性材料可以对环境污染物进行有效降解。生物炭通过吸附作用去除污染物，其改性方法也主要集中在提高吸附性能上，生物炭的改性主要包括物理、化学及生物方法，其原理及特点见表 1。表 1 生物炭常见改性方法原理及特点 改性方法 原理 特点 物理法 球磨改性
4、生物炭等样品磨成粉末，降低粒径，改变颗粒形状，增大比表面积 具有更丰富的含氧官能团和更强的污染物吸附能力，增加离子的吸附位点 紫外改性 提高吸附性能，使生物炭表面积显著增加 含氧官能团增加，比表面积变大 蒸汽改性 氧分子游离到碳表面的活性中心，促进生物炭中结晶碳的挥发和形成 碳化材料具有孔隙率大、表面化学性质多变、表面反应活性高等特点 化学法 酸碱改性 改变生物炭的比表面积和孔容等性质 酸碱官能团获得更好的吸附效果 氧化还原改性 改变生物炭表面的含碳物质 增加表面官能团交换能力，增强对污染物吸附能力 有机溶剂改性 利用特定有机改性剂与生物炭的相互作用来提高其吸附作用 简单环保、比表面积大、增加
5、生物炭孔隙结构 生物法 生物改性 将某些具有特定功能的微生物与生物炭结合，进而改变其孔隙结构等 节能环保，可对污染物进行彻底降解 1.1 物理改性 生物炭的物理改性是改变其内部孔隙结构，增加比表面积以此增强污染物吸附能力。曹钢4使用行星式球磨机制备出球磨生物炭，通过优化其制备参数使改性效率提高，实验证明，球磨后生物炭平均粒径为 267 nm，比表面积由 84.39 m2g-1增加到179.31 m2g-1，改性后生物炭表面官能团数量有所增加。李桥5等以紫外光辐射制备废椰子壳生物炭，对比分析改性炭对土壤中 Cd 含量的影响。结果表明，改性后生物炭表面含氧官能团大量增加，辐照DOI:10.1402
6、9/ki.issn1004-0935.2023.02.013第 52 卷第 2 期 刘艳，等：生物炭的改性及其在环境污染控制中的应用进展 277 时间为 16 h 的改性炭吸附效果最好，吸附量可达67.46 mgkg-1，可见紫外改性生物炭对土壤中镉的钝化具有明显效果。RAJAPAKSHA6等通过蒸汽改性发现改性炭具有更大的比表面积，对水中抗生素有很好的去除效果。1.2 化学改性 化学改性是通过添加化学物质使改性后生物炭的吸附能力增强。王博7等使用浓盐酸对芦苇和香蒲进行改性合成生物炭，研究表明改性后的生物炭比表面积扩大，表面正电荷提高，为带负电荷的硝酸根提供更多吸附位点，增加了改性水生植物生物
7、炭对硝酸盐的吸附量。大量实验表明，通过酸碱结合改性方法也可提高生物炭的吸附性能，高超群8等用 HNO3+NaOH 改性猕猴桃树枝生物炭对 Pb(II)进行吸附，结果表明改性后的吸附量比改性前多28.36 mgg-1。ZUO9等以鲜麦冬为原料进行 H2O2改性，对 Cu(II)进行吸附，结果表明经过氧化剂改性的生物炭对 Cu(II)的吸附量由 35.8 mgg-1增加到 53.8 mgg-1。由此可见，化学改性可以较大程度提高生物炭的吸附能力。1.3 生物改性 生物改性是将特定微生物与生物炭结合进而改善其表面吸附特性。LUO10等首次提出通过培养富铁金孢菌将铁离子嵌入到微生物细胞中，从而得到富含
8、铁的生物质原材料，经过 700 氩气环境下裂解得到磁性生物炭材料。研究表明，该改性生物炭具备较大的比表面积和较高的双氯芬酸去除能力，此方法改性后具磁性而易于固液分离。陈颢明11等利用磷溶菌（PSB）对稻壳和污泥生物炭进行不同时间的改性，研究了其对水体中Pb2+和Cd2+的修复机制，研究表明，磷溶菌（PSB）显著改善了生物炭的孔径结构、比表面积和表面官能团显著增加，促进了生物炭中 C 和 P元素的释放，优化了生物炭表面的生物矿化机制。生物法改性生物炭具有节能环保等优点，但目是否存在其他相关性问题，需要更多的实际应用去证实。2 改性生物炭的应用 改性生物炭对重金属和有机小分子等具有很好的修复效果，
9、可作为土壤改良剂、污染物吸附剂及二氧化碳封存剂，广泛应用于土壤修复、重金属吸附和农业生产等领域。2.1 重金属吸附 近年来重金属污染严重影响到人类的健康，吸附法可有效去除重金属，研究发现生物炭作为新型吸附剂发展前景良好，且改性后的生物炭表面官能团种类和数量明显增加，在土壤及水体重金属吸附方面应用广泛。2.1.1 土壤中重金属 土壤中重金属主要来自矿产业、工业废物和废水排放。土壤重金属污染不仅影响农作物生长，还会对人体健康产生危害。IRSHAD12等通过针铁矿改性生物炭，研究了生物炭和改性生物炭对土 壤-水稻体系中镉迁移转化规律。结果表明，改性生物炭体系 pH 值增加，且根际孔隙水中的镉含量明显
10、降低，改性生物炭可以抑制重金属的形成和积累，增强水稻的生存能力。王曦13利用松木屑作为前体制备生物炭，并用磷酸二氢铵、磷酸和过氧化氢分别对其改性，通过土壤培养实验，探讨改性炭对溶液中 Cr()的吸附效果。结果表明，3 种改性方法均从各个方面提高了木屑炭本身特性，进而增强了吸附稳定性。XIA14等对松木锯末进行石灰改性，研究其改性前后对土壤重金属的钝化作用，结果表明改性炭的电负性、pH 值和表面官能团均有所增加，对 Pb 的固定效率提高了 95.1%，对 Cd 的固定效率提高了 64.4%，重金属的浸出毒性也明显降低，这说明改性生物炭对重金属 Pb、Cd 的固定有明显 效果。2.1.2 水体中重
11、金属 生物炭可有效去除工业废水和生活污水中的重金属。汪怡15等以玉米秸秆为原料，用 KOH 和聚乙烯亚胺改性生物炭，探究生物炭对 Cu2+和 Pb2+的吸附效果。结果表明，改性炭的吸附能力明显优于未改性生物炭，有成为新型重金属吸附剂的潜力。李仕友16等将改性生物炭用于废水重金属的吸附，结果表明，改性后生物炭对水中重金属的吸附强度明显增强，吸附量也增大，这使得改性生物炭可以用于重金属浓度较低的废水的处理过程中。2.2 有机物修复 有机化合物污染环境并威胁人类健康，研究表明利用吸附法去除有机物不仅经济高效还能够实现有机污染物的回收和利用。2.2.1 土壤中有机物 土壤中有机污染物主要包括抗生素、农
12、药残留物、化工行业废渣废水等。研究表明，改性生物炭对土壤中有机物具有很好的去除效果。周蒙蒙17等以玉米秸秆为原料制备水热炭，模拟不同 pH 值、离子强度、初始浓度以及制备温度下水热炭对水中278 辽 宁 化 工 2023年2月 阿特拉津吸附效果。结果表明，水热炭对阿特拉津的吸附量随制备温度的升高而增加，进一步证实玉米秸秆水热炭可有效吸附水中的阿特拉津，具有较好的应用前景。成洁18以玉米秸秆为原料制备了生物炭，研究了生物炭对金霉素、四环素和土霉素在土壤中的吸附与解吸特性，发现生物炭对 3 种抗生素都有良好的吸附效果。2.2.2 水体中有机物 水体中有机污染物污染会诱发生态环境问题，大量研究表明生
13、物炭对水中有机物吸附具有良好效果。缪旭东19等制备了玉米秸秆生物炭，研究生物炭对丙酮和甲苯的吸附特性，结果显示在连续 5 次吸附-脱附循环后依然具有较高的吸附能力，说明生物炭是具有良好应用前景的有机物吸附剂。李音20等以竹子为原料制备生物炭，并通过 NaOH 和高温煅烧进行改性，用改性生物炭去除水溶液中 2-萘酚和刚果红，结果表明改性后生物炭能增加其对 2-萘酚和刚果红的吸附容量，但高温煅烧改性生物炭对两种有机物的去除效果不明显。2.3 有害气体吸附 气候变化是人类面临的一大威胁，大气中 CO2、CH4、N2O 是最主要的温室气体，生物炭具有降碳效果可以抑制温室气体的排放。邓淋21等制备了莲杆
14、基生物炭，采用 BET、TG 方法进行表征分析，探究了不同条件下生物炭对 CO2的吸附性能。结果表明，温度和升温速率生物炭的吸附效果有明显影响，在30、50 mLmin-1条件下，生物炭的吸附量可达74.98 mgg-1。江超22等在处理老旧填埋场中无组织释放的气体带来的环境问题中，通过吸附试验发现添加生物炭能提高土壤 CH4和 CO2吸附能力，结果表明，以生物炭为介质的生物覆盖层不仅可以提高CH4氧化能力，还可有效吸附以 CH4和 CO2为主的温室气体。2.4 农业应用 生物炭可有效改良土壤养分，提高土壤碱基饱和度，在农业方面有很大应用。迟青山23为了明确生物炭与土壤微生物相互作用对农作物生
15、长的影响，探讨了生物炭提高农业生产效率的作用机理，分析比较了不同生物炭及其水溶性成分对土壤有益微生物生长的影响。结果表明，生物炭与土壤微生物的相互作用能够将小白菜中的氮元素含量提高33.3%，磷元素含量提高 1.4 倍，但实验中对钾元素含量没有显著影响，同时证明了生物炭在土壤中能够通过促进土壤微生物的生长和活性，提升土壤肥力，有利于农业生产。李洋洋24通过大田及室内试验研究了生物炭与果树专用肥、炭基肥混施对苹果产量、果实品质的影响及生物炭对养分淋溶及氨挥发的影响。结果表明，单施生物炭可以促进土壤中速效钾、有效磷等有效养分的增加，证明生物炭是农业上良好的土壤改良剂。3 展望 目前针对生物炭及其改
16、性方法的讨论很多，但大多集中在实验阶段上，在应用操作中缺乏实际经验，可能会限制生物炭的大规模制备和使用，因此要通过试验推动其实际应用发展，选择合适的改性方法优化生物炭的吸附性能。生物炭对重金属和有机物具有良好的吸附效果，在制备及改性生物炭的实验过程中，不同生物炭对于特定污染物的去除效果不同，应分析目标污染物的种类及制备条件，选择合适的改性方法。在实际应用中要积极开发生物炭的性能，利用生物炭解决环境污染等问题，将会获得更好的经济效益。参考文献：1 胡龙龙，曹勇，胡友彪.改性生物炭的制备及其环境应用进展J.江苏农业科学，2020，48（21）：46-52.2 王志鹏，陈蕾.秸秆生物炭的研究进展J.应用化工，2019，48（2）：444-446.3计海洋，汪玉瑛，刘玉学，等.生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展J.核农学报，2018，32（11）：2281-2287.4曹钢.饱和多孔介质中球磨生物炭的迁移及与 Cd 的交互作用D.咸阳：西北农林科技大学，2019.5李桥，高屿涛，姜魏，等.紫外辐照改性生物炭对土壤中 Cd 的稳定化效果J.环境工程学报，2017，11（10）：5708-57