生物炭對(duì)廢水中銅離子吸附的研究進(jìn)展：改性方法與吸附機(jī)制

背景介紹廢水中的重金屬銅離子（Cu(II)）會(huì)污染水體生態(tài)環(huán)境，并會(huì)通過食物鏈對(duì)人體健康造成潛在危害。生物炭可作為廢水中Cu(II)去除的有效吸附劑。然而，原狀生物炭對(duì)Cu(II)的吸附量有限，需要對(duì)生物炭進(jìn)行定向改性以提升其去除效果。目前，關(guān)于生物炭對(duì)水中重金屬離子去除的綜述報(bào)道已經(jīng)很多，而專門綜述改性生物炭對(duì)廢水中Cu(II)的吸附卻沒有報(bào)道。文章亮點(diǎn)01文章以廢水中重金屬Cu(II)為研究對(duì)象，綜述了生物炭吸附Cu(II)的主要改性方法和吸附機(jī)制；02并對(duì)未來(lái)的研究提出了展望，希冀為生物炭的應(yīng)用及廢水中Cu(II)的污染控制提供參考。內(nèi)容介紹1生物炭對(duì)Cu(II)吸附的改性方法1.1

酸改性酸改性生物炭常用的改性劑是H3PO4、H2SO4、H2O2、HNO3和Na2S2O3等。酸性表面官能團(tuán)的引入能為生物炭提供更多的吸附位點(diǎn)，通過配位作用更多的吸附廢水中的Cu(II)。1.2

堿改性堿改性常用的是KOH改性、NaOH改性、氨基改性和氮改性等，其中KOH改性研究報(bào)道較多。堿改性的主要目的是增大比表面積、制造發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和引入堿性基團(tuán)。1.3

物理改性物理改性方法主要包括球磨技術(shù)和氣體活化技術(shù)，改性的主要目的是增大生物炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)。1.4

金屬改性金屬改性主要包括鐵和錳改性等，主要目的是引入磁性組分有利于固液分離、引入更多的吸附位點(diǎn)有利于Cu(II)的去除。1.5

礦物質(zhì)改性礦物質(zhì)改性包括硅改性和納米羥基磷灰石負(fù)載等，改性的主要目的是引入礦物質(zhì)成分，增加生物炭的沉淀和配位能力。1.6

高分子聚合物改性可以利用高分子聚合物對(duì)生物炭進(jìn)行改性，如殼聚糖和2-硫脲嘧啶等。2吸附機(jī)制2.1

孔隙擴(kuò)散生物炭表面微孔(<2nm)和介孔(2～50nm)的存在決定了孔填充機(jī)制是吸附重金屬的重要機(jī)制。生物炭的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)決定了孔隙擴(kuò)散機(jī)制。通常，高比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)可為生物炭吸附Cu(II)提供更多的位點(diǎn)。2.2

靜電作用靜電作用是影響生物炭去除Cu(II)的主導(dǎo)機(jī)制之一。生物炭表面呈現(xiàn)的負(fù)電荷易與Cu(II)之間發(fā)生靜電作用。生物炭表面的官能團(tuán)是影響靜電作用的重要因素，官能團(tuán)在不同pH下呈現(xiàn)不同的化學(xué)形態(tài)，進(jìn)而影響靜電作用。生物炭的Zeta電位也會(huì)影響對(duì)重金屬離子的靜電作用。2.3

沉淀作用沉淀作用也是生物炭去除Cu(II)的關(guān)鍵機(jī)制之一。沉淀作用常見于富含礦物質(zhì)生物炭對(duì)Cu(II)的去除。生物炭中含有的礦物質(zhì)離子，特別是OH-、CO32-、PO43-、SO42-和SiO44-等礦物質(zhì)離子能與Cu(II)之間形成沉淀。2.4

配位作用配位作用是生物炭去除Cu(II)的主要機(jī)制，因?yàn)镃u(II)的配位能力較強(qiáng)，其能與生物炭中含有的羧基、氨基等官能團(tuán)形成吸附位點(diǎn)，這些吸附位點(diǎn)與金屬離子之間發(fā)生配位作用。對(duì)含有豐富官能團(tuán)的生物炭（低溫生物炭）來(lái)說(shuō)，配位作用是生物炭去除Cu(II)的主要機(jī)制。生物炭的酸改性、鐵錳改性等就是為了引入官能團(tuán)從而有效的配位Cu(II)。2.5

陽(yáng)離子-π機(jī)制重金屬離子和生物炭的芳香基團(tuán)之間的陽(yáng)離子-π鍵合可被定義為帶正電荷的離子與芳香電子供體體系的平面表面之間非共價(jià)相互作用。2.6

離子交換機(jī)制生物炭上帶電陽(yáng)離子能溶解并與Cu(II)之間發(fā)生離子交換作用，特別是對(duì)含礦物質(zhì)離子豐富的生物炭。2.7

還原作用還原作用也是生物炭去除Cu(II)不容忽視的機(jī)制。生物炭中的含氧官能團(tuán)或是負(fù)載的還原性物質(zhì)（Fe0）能有效的還原廢水中的Cu(II)。研究顯示，生物炭具有氧化還原能力，可以作為電子供體或電子受體。3結(jié)論與展望本文以廢水中重金屬Cu(II)為研究對(duì)象，綜述了生物炭吸附Cu(II)的主要改性方法和吸附機(jī)制。改性生物炭中，研究較為廣泛的化學(xué)改性（酸、堿、高分子聚合物改性）、物理改性（球磨和氣體活化）、金屬改性（鐵、錳改性）和礦物質(zhì)改性等。各種改性方法對(duì)Cu(II)去除效果提高的次序是：納米羥基磷灰石>含氨基有機(jī)酸改性>錳改性>鐵改性>堿改性。生物炭吸附Cu(II)的主要機(jī)制包括孔隙擴(kuò)散、靜電作用、沉淀作用、配位作用、陽(yáng)離子-π機(jī)制、離子交換和還原作用，具體的主導(dǎo)機(jī)制還與生物炭的物化性質(zhì)和溶液的性質(zhì)有關(guān)。未來(lái)的研究方向包括：（1）制備效果更優(yōu)異的改性生物炭，能更好的去除痕量污染的Cu(II)，特別是用含有氨基或含有氨基的有機(jī)酸改性能明顯提升生物炭對(duì)Cu(II)的效果。（2）采用密度泛函理論（DFT）或同步輻射等先進(jìn)的儀器或模型從分子水平探究生物炭