基于生物炭吸附的工业废水重金属去除机制及优化研究

一、引言

生物炭是在缺氧或限氧条件下,作为生物质通过热解碳化作用而生成的富碳固体物质。生物炭吸附法具备成本低、环境友好、原料来源广泛等显著优势，实际应用中其吸附性能仍有提升空间。深入研究吸附机制并探索优化策略，对提高生物炭吸附效率、推动其在工业废水处理领域的广泛应用，理论价值和现实意义都很大。

二、生物炭吸附工业废水重金属的机制

（一）物理吸附机制

生物炭的气孔结构复杂,覆盖大、中、微孔。大孔充当重金属离子传输的通道，使离子能快速抵达生物炭内部；而中孔和微孔提供的比表面积巨大。形成众多吸附位点 。研究显示,生物炭的表面积越大。物理吸附能力越强。如通过高温热解秸秆制取的生物炭等。比表面积可达 300-500mg/gΩ 。表现出对重金属离子很好的物理吸附作用。

物理吸附主要依靠重金属离子之间的表面的范德华力进行吸附。当重金属离子靠近生物炭表面时，范德华力促使离子吸附于孔隙或外表面。此吸附作用较弱、具有可逆性，过程快速且无需活化能，但选择性差，对不同重金属离子的吸附能力取决于离子大小、形状与生物炭孔隙的匹配程度。

（二）化学吸附机制

生物炭表面富含羧基（-COOH）、羟基（-OH）、酚羟基、羰基（ C= O）等官能团，这些官能团可以和重金属离子发生化学反应,生成化学键。实现化学吸附。例如，羧基可以离子离子。羟基可以和重金属离子形成配合物。污泥生物炭因表面羧基含量高，对铅离子的化学吸附能力较强，通过离子交换和络合作用有效去除废水中的铅。

生物炭表面带有电荷，在不同 pH 条件下，电荷性质和电荷量会发生变化。当生物炭表面电荷与重金属离子电荷相反时，产生静电吸引促进吸附。同时，生物炭表面的可交换离子（如 H⁺ 、 K^∗ 、 Na⁺ 等）能与溶液中的重金属离子进行离子交换，实现重金属去除。酸性条件下，生物炭表面 H⁺与重金属离子交换，可提高吸附量。

（三）其他吸附机制

在特定条件下，生物炭表面成分或吸附过程中的反应产物，可与重金属离子进行沉淀沉淀反应。生物炭中含有的钙、镁等金属氧化物，它能与重金属离子在碱性条件下发生反应,生成氢氧化物沉淀。

部分生物炭具有还原性，可将高价态重金属离子还原为低价态，降低毒性并促进吸附固定。生物炭中的碳质成分能将六价铬还原为三价铬，三价铬与生物炭表面官能团结合的可能性较大。实现对铬的有效去除。

三、生物炭吸附工业废水重金属的影响因素

（一）生物炭自身性质

不同生物质原料制备的生物炭，物理化学性质存在显著差异，进而影响重金属吸附性能。用木类生物质制备的生物炭,具有较大的发达的孔隙结构。物理吸附能力强；草本类生物质制备的生物炭表面官能团含量高，化学吸附能力突出。

（二）废水性质

废水中重金属离子浓度在一定范围内升高。生物炭对重金属的吸附能力随之水涨船高。但吸附效率可能降低。生物炭表面吸附位点在离子浓度过高时迅速饱和,吸附趋于稳定。处理含镉废水时，镉离子浓度从 50mg/ L 增至 200mg/L ，生物炭对镉的吸附量增加，而吸附效率从 90% 降至70% 左右。

（三）吸附条件

吸附时间与温度是影响生物炭对重金属吸附效果的关键因素，其作用机制与吸附过程的动力学和热力学特性密切相关。

从吸附时间维度来看，生物炭对重金属的吸附过程呈现明显的阶段性特征。在吸附初始阶段，生物炭表面丰富的活性位点与溶液中的重金属离子快速结合，此阶段吸附速率主要受传质作用控制，重金属离子迅速在生物炭表面富集，吸附量随时间呈近似线性增长。

温度对生物炭吸附重金属的影响则取决于吸附机制的类型。在物理吸附过程中，其本质是基于生物炭表面与重金属离子间的范德华力作用，该过程为放热反应。在一定温度范围内（通常低于生物炭热稳定温度），适当升温能够提供更多的活化分子，加快化学反应速率，促进化学吸附的进行，使吸附量增加。

四、生物炭吸附工业废水重金属的优化策略

（一）生物炭制备工艺优化

对生物质原料进行预处理可改善生物炭性质，提升重金属吸附性能。通过粉碎、浸泡、干燥等处理，能增加原料比表面积，促进热解时孔隙结构形成；酸碱预处理可调节原料化学组成，增加表面官能团含量。玉米秸秆粉碎后经氢氧化钠溶液浸泡预处理，得到的生物炭较表面积和表面羧基含量均有较大幅度的提高。对镉离子吸附能力提高约 30% 。

优化工艺参数,如热解温度,升温速率,热解时间等。可制备性能更优的生物炭。除选择合适热解温度平衡物理与化学吸附性能外，控制升温速率和热解时间也很关键。较低升温速率利于孔隙均匀发育，较长热解时间可使生物质充分炭化，但过长会增加成本。采用分段升温，先以 升温至 400^∘C 保温 1 小时，再以 10^∘C/min 升温至 700^∘C 保温 2 小时，制备的生物炭比表面积大,官能团含量也比较丰富。对多种重金属吸附性能显著提升。

（二）生物炭改性处理

物理改性通过改变生物炭孔隙结构和比表面积提升吸附性能，常用方法有高温水蒸气活化、二氧化碳活化等。这些方法可进一步扩大孔隙、增加比表面积，提高物理吸附能力。高温水蒸气活化稻壳生物炭后，其比表面积从 200m/g 增加到超过 500m/g_⨀ 。对铅离子吸附量提高约 40% 。

化学改性通过在生物炭表面引入特定化学基团或改变表面化学性质，和重金属离子加强化学反应。常见的有酸碱改性,金属氧化物负荷改性等方法。酸碱改性可调节表面官能团含量和电荷性质；金属氧化物负载改性利用负载的金属氧化物与重金属离子反应，提高吸附选择性和容量。硝酸处理生物炭后，表面羧基含量大幅增加，对铜离子吸附能力显著提高；生物炭表面负载铁氧化物后，对砷离子吸附效果明显改善，由于铁氧化物和砷离子的作用,形成稳定的配合物。

（三）吸附条件优化

依据不同生物炭和重金属离子特性，调节废水 pH 值至合适范围，可显著提高吸附效果。实际应用中，通过添加盐酸、氢氧化钠等酸碱调节剂控制 pH 值。木质生物炭处理含镉废水时，pH 值调节至 6 - 7，吸附量达最大；草本生物炭处理含铅废水， pH 值在 7 - 8 时吸附效果最佳。

将生物炭吸附与其他重金属去除方法联合，可发挥协同优势，提高去除效率。生物炭吸附与化学沉淀法联合，先通过化学沉淀降低重金属离子浓度，再利用生物炭吸附剩余离子，可使重金属去除率超 99% ；它与膜分离法相结合,对废水中的微小颗粒及重金属离子进行有效的去除。提升出水水质。

五、结语

本研究明确了生物炭吸附重金属的多种机制及原料种类、热解温度、废水性质、吸附条件等影响因素，并从制备工艺、改性处理、吸附条件调控等方面提出优化策略，可有效提升生物炭吸附性能。然而，生物炭吸附技术在大规模工业应用中仍面临生物炭规模化生产、再生利用及与其他工艺协同优化等挑战。

参考文献：

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