段万发

(马鞍山首创水务公司，安徽马鞍山，243000)

近年来，工农业的迅速发展导致其将大量有机污染物排放进入环境[1,2]。有机污染物具有毒性、不可生物降解性和潜在的致癌性，不仅会对环境造成危害，而且会对生态系统和人类健康造成影响[3]。因此目前迫切需要一套经济有效、操作简便的技术体系来降低环境中有机污染物的浓度[4]。

生物炭是一种富含碳的固体，它一般具有类似于活性炭的多孔结构、巨大的比表面积、丰富的表面官能团等特征，这些特征使其在土壤污染治理上应用广泛，因其能够改善土壤团粒结构，提高土壤微生物数量，保水保肥以及吸附钝化土壤中重金属和农药残留，而且还可以作为有效的吸附剂去除水溶液中的污染物[5,6]。与活性炭相比，生物炭是一种拥有更低成本、较高效率且可再生的新型吸附剂[7]。因此，生物炭逐渐成为近年来相关领域的研究热点。

已有研究主要关注生物炭的性质和应用，但是对生物炭再生的研究较少[12]。本文查阅了近年来有关生物炭吸附有机污染物的大量研究文献，介绍了生物炭的基本理化性质、来源、类型和生产方式；整理了多种有机污染物与生物炭相互作用的机理；总结了有关生物炭吸附、再生及其工程化应用的相关研究，以期为构建经济高效的生物炭吸附、再生及其工程化技术体系提供理论依据。

1 生物炭制备

生物炭一般由生物质废弃物制成，生物炭的原料大多来自农业生物质原料，主要包括农作物残渣、木材生物质、动物粪便和固体废弃物[13,14]。生物炭的类型在很大程度上取决于原材料的类型、裂解温度，Jindo等人[15]研究发现不同的原料和不同的热解温度对生物炭的总碳和灰分有不同的影响。按照原料性质的不同，生物炭可以大致分为：秸秆生物炭、贝壳生物炭、木材生物炭、污泥生物炭、动物粪便生物炭、竹生物炭和其他类型的生物炭[16]。

新型生物质半气化产炭炉是一种典型的生物炭生产炉，其主要工艺流程是生物质燃料被放置在两个气瓶之间，并在中心点火，来自中央大火的热量使燃料的以同心环方式热解，气体逸出到中心，随着生物质环变成炭，炭再进入火焰中。中央燃烧室可配置为火箭炉设计(带有侧开门)，主要燃烧空气从底部进入。

图1 废物衍生吸附剂的基础制备流程

2 生物炭对有机污染物的去除

有机污染物是环境污染物的重要组成部分，严重威胁人类健康和生态环境安全[17]。环境有机污染是多种来源共同作用的结果。主要的污染源包括农药、农膜以及工业废水如染料行业废水的排放[18]。目前科学家使用了一些方法来去除环境中的有机污染物，例如：生物降解、吸附、汽提、水解和光解等。但尚未找到能高效、低成本的工程化应用解决方案。

2.1 抗生素类有机污染物去除

随着抗生素在人类和动物中的广泛应用，一些含有抗生素的制药废水逐渐影响了人们的生活环境，并通过复杂的转化和生物积累途径恶性循环存在于环境中。因此，抗生素最近被公认为是新兴的环境污染物。

生物炭吸附是从环境中去除抗生素非常有效的方法，但是大多数关于生物炭吸附抗生素的研究仅限于水溶液，在更复杂的土壤环境中的研究很少[9]。另外，大多数研究都是在静态测试中研究单一抗生素，但是由于抗生素的实际情况是复合的，因此缺乏环境的真实性。未来，科学家趋向于使用动态吸附实验来模拟真实环境，以应对复杂的抗生素污染环境[16]。

2.2 农药类有机污染物去除

过量使用农药会对空气、土壤和水造成一定程度的污染，对非目标生物产生毒害作用，破坏生态平衡并危害人类健康[8]。科学家们已经对在水和土壤中的生物炭对农药的吸附进行了一些研究。Sun等[13]用甘蔗渣生物炭吸附有机磷农药，研究了各种因素对吸附的影响。研究表明，甘蔗渣生物炭的增加有助于增加乐果的吸附量和去除量。乐果的初始浓度和系统温度的升高对吸附效率产生负面影响。

影响因素和吸附机理的研究对生物炭在农业生产和工程应用上有重要意义。目前，由于土壤环境复杂、物性差异较大，在实际土壤中最佳吸附条件的研究非常重要。水溶液中生物炭吸附农药的相关研究不是很全面，可以参考的文献有限，需要进一步研究。

3 生物炭再生研究进展

生物炭再生是吸附的逆过程。再生有两个原理：被吸附物解吸和分解。竞争性吸附剂在工业应用中表现出良好的可重复使用和再循环能力，并且由于重复吸附-解吸循环，可以大大降低成本。通过采用不同的技术处理不同的生物炭可以实现生物炭的再生和成本的降低。

3.1 热再生

热再生是实现解吸的最有效方法之一。被吸附物在高温下会碳化并分解，最终变成比生物炭孔径小的分子并逸出。随着热解温度的升高，再生效率提高。Qiao等[12]研究发现浒苔生物炭在80℃、150℃和200℃的温度下再生，能达到35.00%、45.00%和48.00%的芘吸附，而对苯并芘再生后吸附率分别为31.00%、41.00%和40.00%。研究表明，可以通过热处理去除溶解有机碳。

3.2 溶剂法再生

溶剂再生法的原理是利用生物炭、溶剂和被吸附物之间的平衡关系，通过改变溶剂的温度和pH值来打破吸附平衡，从而使吸附物从活性炭中解吸出来。该法特别适用于高浓度和低沸点有机物吸附剂。例如，用氢氧化钠溶液洗涤已富集苯酚的生物炭，然后以酚酸钠的形式回收解吸的苯酚。

3.3 各种再生方法的比较

以上几种生物炭再生方法中，热再生法被认为是最具成本效益的方法之一；用于溶剂法再生的无机试剂通常价格低廉、再生条件温和，但处理时间长，再生效率一般低于80.00%；微波辐射再生法的再生处理时间短、加热温度更易于控制且无热惯性，同时较好地保持了生物炭的多孔结构，这对节能和降低二次污染风险也具有积极意义；超临界再生适用于高挥发性物质的吸附。与有机溶剂再生相比，以CO2和水为流体的超临界再生不存在溶剂污染环境的问题。表1中列出了各再生方法应用范围，比较了再生方法的优缺点。

表1 生物炭再生方法的比较

4 展望与结论

作为具有广泛来源和良好吸附性能的吸附剂，未来生物炭在去除有机污染物方面具有广阔的前景。然而，生物炭缺乏系统的研究，包括其对有机物的吸附机理和应用理论，对再生过程中可能产生的二次污染的处理以及特定功能性生物炭的应用。

(1)生产适合不同需求的生物炭是生物炭大规模应用的基础。可以研究用于特定目的的生物炭，以实现生物炭对不同有机污染物的吸附和有效解吸。

(2)目前，关于吸附污染物后生物炭的回收和再生的研究很少。吸附的有毒有害物质能否随着时间的推移有效地转化或固化为无法释放的“潜在污染源”仍然是一个需要研究的问题。

(3)生物炭研究起步较晚，研究人员对一些关键的理论和调控机制缺乏足够的了解，例如不同条件下生物炭对污染物的吸附过程，“质量效率”与“数量效率”之间的关系。

(4)生产成本仍然是限制生物炭应用的主要因素。研究人员应该进一步选择低成本的原料生产生物炭，改进再利用方法以及生物炭的表面积和官能团以达到生物炭的最大利用效果。

(5)生物炭在工程中的应用研究主要集中在固定床和连续逆流分离装置上。再生主要包括热再生、溶剂再生、微波辐射再生和超临界流体再生。

(6)环境友好、可循环利用、可持续发展和效益最大化的生物炭制备及使用方法是生物炭吸附的研究热点。