生物碳吸附剂去除水体有机污染

Posted 2023-01-12 生物

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生物碳吸附剂去除水体有机污染
近年来，我国的工业水平和社会经济都在高速发展，但是环境保护、污染治理的工作却未能及时跟上，许多生活和工业废水未经处理就直接流入附近的水体中，对水环境的污染越来越严重，特别是水中有机污染物含量逐渐升高，成分也越来越复杂。
目前，我国水体有机微污染(如多环芳烃〈PAHs〉、多氯联苯〈PCBs〉、芳香硝基化合物)日趋严重，对饮用水安全和人群健康构成严重威胁。更值得关注的是，当前的水处理技术尚难以有效去除此类有机污染物。因此，寻找经济高效、适合于饮用水处理的新型吸附剂已成为环境科学与工程领域关注的焦点之一。
在国家自然科学基金等的资助下，浙江大学环境科学系教授陈宝梁等以松针作为生物质代表，通过控制不同炭化温度(100～700℃)，制备了一系列生物碳质吸附剂，并对制备的生物碳质吸附剂的结构和表面特征进行了深入研究。他们以4-硝基甲苯为目标，探讨了吸附剂在水中对有机污染物的吸附性能、机理及与其结构特征之间的定量关系，为制备经济高效吸附剂以及预测其吸附性能与机制提供了理论依据。
这一成果发表在《中国科学B辑：化学》2008年第6期上。
难解的水体有机污染问题
陈宝梁指出，我国本身就是一个水资源短缺的国家，而大量废水特别是焦化废水、精细化工和染料等难降解有机废水未经处理直接排放或没有达标排放，又导致了水质性缺水。
例如，我国医药制造业和化学工业废水年发生量分别为3.16亿吨和38.35亿吨，而达标排放率仅为57%～63%；城市生活污水排放量约为195亿吨/年，处理率不到20%。由此造成水污染尤其是持久性有机污染物(POPs)日益严重，特别是其中痕量的有机污染物常具高生物积累性、“三致"(致突变性、致癌性、致畸性)效应，对饮用水安全和人群健康构成严重威胁。
目前对有机污染废水多采用单一破坏处理的方法，成本高、浪费资源。而以资源化技术为核心的集成处理工艺，由于符合循环经济理念，开始备受推崇。其中，吸附法是有机污染物治理与资源化的有效方法之一。
陈宝梁评价，有机污染物的吸附作用是非常典型的环境化学行为，决定其在土壤和水环境中的迁移转化、归趋、生物生态效应及修复或缓解途径和机制，因此，研究其吸附机理一直是环境科学和土壤化学的热点方向之一。
据陈宝梁介绍，寻找经济高效、适合于饮用水处理的新型吸附剂已成为环境科学与工程领域关注的焦点之一，其中涉及活性炭、有机黏土、三油酸甘油酯-活性炭复合吸附剂等。目前常用的活性炭对有机污染物的吸附机理为表面吸附，吸附容量大小取决于比表面积大小，容易饱和，存在竞争吸附，故在使用过程中需要不断再生；因此，对亲脂性持久性有机污染物的吸附效果不理想。
“当前，学界对环境友好的生物碳质吸附剂的研究几乎为空白。"他说。
大有可为的生物碳质吸附剂
陈宝梁指出，环境中普遍存在的生物碳质如木炭、焦炭、烟炱等，具有超强的吸附性能，而我国这方面的资源非常丰富。
据陈宝梁提供的数据，我国每年仅秸秆就产生6亿多吨，占世界秸秆总产量的20%～30%，但其中80%左右被废弃或燃烧，浪费了大量资源且严重污染环境。
但是，如果能够使这些生物质实现“二次资源化"，特别是利用废弃生物质制备高性能的生物质吸附材料，用于去除废水或饮用水中难降解有毒有机污染物，就能够真正实现以废治废，对构建资源节约型、环境友好型社会，实现节能减排具有重要意义。
陈宝梁认为，生物碳质吸附剂不仅原料来源丰富、成本低廉，而且制备工艺简单、产量高、结构功能可调。它还具有多功能的吸附性能，可同时去除废水中多种有机污染物或重金属—有机物复合污染物，回收再生利用也相对简单。
陈宝梁同时指出，生物碳质吸附剂的吸附机理，特别是其与生物碳质的结构之间的定量关系尚待深入研究，这将为模拟“环境碳黑"设计和制备高性能环境友好的生物碳质吸附材料提供理论依据和技术指导。
从“软碳"到“硬碳"
陈宝梁研究组选用了凋落松针作为生物质代表开展相关研究。
他解释说，森林火灾常以针叶树木为代价，松针作为森林中典型落叶之一，其干燥后极易燃烧，产生的生物碳质则大量积累于土壤中，成为土壤炭黑的重要来源。
他们采用限氧升温炭化法制备出一系列的生物碳质吸附剂。具体做法是，通过控制不同炭化温度，使得制备的生物碳质组分发生改变。随着炭化温度升高，吸附剂的碳含量从50.34%(100℃)上升到84.61%(700℃)；相应的氢和氧的含量则分别从6.09%和42.87%下降为1.25%和13.04%。
研究发现，炭化温度为100℃时制备的样品呈高极性和脂肪性，随炭化温度的升高，生物碳质吸附剂的芳香性急剧增加，而其极性则急剧降低。而极性的降低和芳香性的增大，意味着生物碳质逐渐从“软碳质"过渡到“硬碳质"。同时，样品的表面积也发生着规律性的变化。可见，温度可以调控生物碳质的表面结构和性质，这将对其吸附特征和机理产生重要影响。
以4-硝基甲苯为吸附目标，陈宝梁等对不同的吸附剂性能进行了比较研究，发现低温制得的生物碳质吸附剂(100℃)的作用机制为分配作用，中温制得的生物碳质吸附剂(300℃)的作用机制为分配作用和表面吸附共同作用，高温制得的生物碳质吸附剂(700℃)的作用机制为表面吸附作用。其中，表面吸附作用大小随炭化温度升高而增大；而分配作用大小先随温度升高而增大，并于300℃时达到最大，接着则降低。
另外，他们还对萘、菲、硝基苯、间二硝基苯等有机污染物的吸附进行了实验，都表现出非常好的效果，对于去除具有强“三致"效应和高亲脂肪性的多环芳烃、多氯联苯和有机氯农药等去除效果甚至更好。
陈宝梁认为，这个研究结果为针对不同的有机污染物以及生物质原料碳质的不同构成和性质，为“裁剪"生物质制备合适的生物碳质吸附剂奠定了科学基础。
不过，他也表示，目前的研究还停留在实验室阶段，只是申请了多项相关发明专利。他非常希望在不久的将来，相关的研究成果能够得到实际推广应用，为水体有机污染治理贡献一份力量。