生物碳吸附劑去除水體有機汙染

2020-11-26 中國水網

近年來，我國的工業水平和社會經濟都在高速發展，但是環境保護、汙染治理的工作卻未能及時跟上，許多生活和工業廢水未經處理就直接流入附近的水體中，對水環境的汙染越來越嚴重，特別是水中有機汙染物含量逐漸升高，成分也越來越複雜。

目前，我國水體有機微汙染（如多環芳烴〈PAHs〉、多氯聯苯〈PCBs〉、芳香硝基化合物）日趨嚴重，對飲用水安全和人群健康構成嚴重威脅。更值得關注的是，當前的水處理技術尚難以有效去除此類有機汙染物。因此，尋找經濟高效、適合於飲用水處理的新型吸附劑已成為環境科學與工程領域關注的焦點之一。

在國家自然科學基金等的資助下，浙江大學環境科學系教授陳寶梁等以松針作為生物質代表，通過控制不同炭化溫度（100～700℃），製備了一系列生物碳質吸附劑，並對製備的生物碳質吸附劑的結構和表面特徵進行了深入研究。他們以4-硝基甲苯為目標，探討了吸附劑在水中對有機汙染物的吸附性能、機理及與其結構特徵之間的定量關係，為製備經濟高效吸附劑以及預測其吸附性能與機制提供了理論依據。

這一成果發表在《中國科學B輯：化學》2008年第6期上。

難解的水體有機汙染問題

陳寶梁指出，我國本身就是一個水資源短缺的國家，而大量廢水特別是焦化廢水、精細化工和染料等難降解有機廢水未經處理直接排放或沒有達標排放，又導致了水質性缺水。

例如，我國醫藥製造業和化學工業廢水年發生量分別為3.16億噸和38.35億噸，而達標排放率僅為57%～63%；城市生活汙水排放量約為195億噸/年，處理率不到20%。由此造成水汙染尤其是持久性有機汙染物（POPs）日益嚴重，特別是其中痕量的有機汙染物常具高生物積累性、「三致」（致突變性、致癌性、致畸性）效應，對飲用水安全和人群健康構成嚴重威脅。

目前對有機汙染廢水多採用單一破壞處理的方法，成本高、浪費資源。而以資源化技術為核心的集成處理工藝，由於符合循環經濟理念，開始備受推崇。其中，吸附法是有機汙染物治理與資源化的有效方法之一。

陳寶梁評價，有機汙染物的吸附作用是非常典型的環境化學行為，決定其在土壤和水環境中的遷移轉化、歸趨、生物生態效應及修復或緩解途徑和機制，因此，研究其吸附機理一直是環境科學和土壤化學的熱點方向之一。

據陳寶梁介紹，尋找經濟高效、適合於飲用水處理的新型吸附劑已成為環境科學與工程領域關注的焦點之一，其中涉及活性炭、有機黏土、三油酸甘油酯-活性炭複合吸附劑等。目前常用的活性炭對有機汙染物的吸附機理為表面吸附，吸附容量大小取決於比表面積大小，容易飽和，存在競爭吸附，故在使用過程中需要不斷再生；因此，對親脂性持久性有機汙染物的吸附效果不理想。

「當前，學界對環境友好的生物碳質吸附劑的研究幾乎為空白。」他說。

大有可為的生物碳質吸附劑

陳寶梁指出，環境中普遍存在的生物碳質如木炭、焦炭、煙炱等，具有超強的吸附性能，而我國這方面的資源非常豐富。

據陳寶梁提供的數據，我國每年僅秸稈就產生6億多噸，佔世界秸稈總產量的20%～30%，但其中80%左右被廢棄或燃燒，浪費了大量資源且嚴重汙染環境。

但是，如果能夠使這些生物質實現「二次資源化」，特別是利用廢棄生物質製備高性能的生物質吸附材料，用於去除廢水或飲用水中難降解有毒有機汙染物，就能夠真正實現以廢治廢，對構建資源節約型、環境友好型社會，實現節能減排具有重要意義。

陳寶梁認為，生物碳質吸附劑不僅原料來源豐富、成本低廉，而且製備工藝簡單、產量高、結構功能可調。它還具有多功能的吸附性能，可同時去除廢水中多種有機汙染物或重金屬—有機物複合汙染物，回收再生利用也相對簡單。

陳寶梁同時指出，生物碳質吸附劑的吸附機理，特別是其與生物碳質的結構之間的定量關係尚待深入研究，這將為模擬「環境碳黑」設計和製備高性能環境友好的生物碳質吸附材料提供理論依據和技術指導。

從「軟碳」到「硬碳」

陳寶梁研究組選用了凋落松針作為生物質代表開展相關研究。

他解釋說，森林火災常以針葉樹木為代價，松針作為森林中典型落葉之一，其乾燥後極易燃燒，產生的生物碳質則大量積累於土壤中，成為土壤炭黑的重要來源。

他們採用限氧升溫炭化法製備出一系列的生物碳質吸附劑。具體做法是，通過控制不同炭化溫度，使得製備的生物碳質組分發生改變。隨著炭化溫度升高，吸附劑的碳含量從50.34%（100℃）上升到84.61%（700℃）；相應的氫和氧的含量則分別從6.09%和42.87%下降為1.25%和13.04%。

研究發現，炭化溫度為100℃時製備的樣品呈高極性和脂肪性，隨炭化溫度的升高，生物碳質吸附劑的芳香性急劇增加，而其極性則急劇降低。而極性的降低和芳香性的增大，意味著生物碳質逐漸從「軟碳質」過渡到「硬碳質」。同時，樣品的表面積也發生著規律性的變化。可見，溫度可以調控生物碳質的表面結構和性質，這將對其吸附特徵和機理產生重要影響。

以4-硝基甲苯為吸附目標，陳寶梁等對不同的吸附劑性能進行了比較研究，發現低溫製得的生物碳質吸附劑（100℃）的作用機制為分配作用，中溫製得的生物碳質吸附劑（300℃）的作用機制為分配作用和表面吸附共同作用，高溫製得的生物碳質吸附劑（700℃）的作用機制為表面吸附作用。其中，表面吸附作用大小隨炭化溫度升高而增大；而分配作用大小先隨溫度升高而增大，並於300℃時達到最大，接著則降低。

另外，他們還對萘、菲、硝基苯、間二硝基苯等有機汙染物的吸附進行了實驗，都表現出非常好的效果，對於去除具有強「三致」效應和高親脂肪性的多環芳烴、多氯聯苯和有機氯農藥等去除效果甚至更好。

陳寶梁認為，這個研究結果為針對不同的有機汙染物以及生物質原料碳質的不同構成和性質，為「裁剪」生物質製備合適的生物碳質吸附劑奠定了科學基礎。

不過，他也表示，目前的研究還停留在實驗室階段，只是申請了多項相關發明專利。他非常希望在不久的將來，相關的研究成果能夠得到實際推廣應用，為水體有機汙染治理貢獻一份力量。

編輯：張倩

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