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AG平台真人 真人AG 平台官网AG平台真人 真人AG 平台官网生物炭是一种含炭量很高的低成本材料,通常由各种废弃生物质(污泥/粪便、餐厨垃圾和农林废弃物)在缺氧或高压条件下热解而成.其具有相对较大的比表面积、高孔隙率、长期稳定性和丰富的官能团.
常用于以下几个方面:1.增加土地肥性;2.降低温室气体的排放;3.降低土壤中重金属元素和有机污染物溶度;4.催化降解新兴污染物和微生物污染物.近年来,生物炭由于其环境友好性、经济性以及与活性碳相似的理化性质吸引了人们的大量关注.
大多数研究希望能利用生物炭替代昂贵的活性碳作为催化剂或载体用以处理废水废气以及促进脂类合成.生物炭的特殊性质也使其在缓解气候变化,进行废物管理,促进作物生长,恢复污染水体,土壤和空气等方面做出了很大的贡献.
虽然生物炭的各种功能已经在某些领域中得到证明,但由于其处理效率以及稳定性均低于活性碳,其应用仍受到了极大的限制.所以研究人员开发了不同的活化技术,以期最大程度地提高其催化效率及稳定性
目前常见的活化方法分为物理方法和化学方法,包括酸活化、碱活化、等离子体活化、金属离子浸渍和气体活化等.酸活化方法有磷酸活化、磺化、硝酸活化和弱酸过氧化氢活化.酸活
化主要影响生物炭的比表面积、孔径、孔容以及引进新的官能团.碱活化包含氢氧化钾活化、氢氧化钠活化和氨活化.氢氧化钾活化可同时增大生物炭比表面积和引进不同种类的含氧基团;氢氧化钠活化 则可以增大生物炭的孔径,增加中孔数量的占比;
而氨活化则是生物炭表面引进氨基的主要方法.等离子体活化对增加生物炭表面的含氧官能团有着积极的作用.金属浸渍的目的是提高生物炭的比表面积并将所浸渍的金属离子连接在生物炭的表面,为催化剂提供催化活性位点以增强催化活性.气体活化包含空气活化、蒸汽活化、臭氧活化和二氧化碳活化.气体活化在增大孔径的同时,也对改善生物炭的比表面积和孔容方面起到积极的效应并可以大幅增加生物炭的酸性和极性官能团.
生物炭合成的原材料在自然界中十分丰富,例如玉米秸秆、落叶、餐厨垃圾、牲畜粪便和污泥等.生物质的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素三种糖类,由于纤维素、半纤维素和木质素具有不同的物质结构(晶体结构和分支),所以在相同合成温度下,具有不同含量半纤维素、纤维素和木质素的生物质会产生具有不同物化性质的生物炭由于纤维素、半纤维素和木质素还表现出不同的热响应,因此研究人员在热解不同生物质时常通过控制温度以求获得相同物化性质的生物炭.例如,韦思业 在研究不同物料对生物炭性质的影响时发现,普通生物质基生物炭(稻草、玉米秸秆和猪粪)的比表面积主要来源于小于 10nm 的孔隙,但是污泥基生物炭则来源于介孔(2~50nm).通过调节热解温度可以使由两种物料制备的生物炭具有相似比表面积
通常随着温度增加,生物炭中的各种官能团逐渐脱落使得生物炭中氢、氮和氧等元素含量下降而芳香化程度、固定碳含量、比表面积、孔体积和灰分含量呈上升趋势.Keiluweit 等在研究生物质在不同温度下的热解时发现,随着温度的升高,生物质中微晶纤维素的转变可以分成 5 个阶段:原物质、过渡炭、无定形炭、复合炭和涡轮层炭(图 2).以秸秆作为合成原料,在500~700℃时可以获得更高的炭产率以及较佳的比表面积和孔径;若继续升高温度,挥发分热裂解形成的积碳对孔径的阻塞作用以及有机盐的挥发所造成的炭骨架坍塌会降低
由此可见,炭化温度对调节生物炭的比表面积及孔径有很大的贡献意义,但是过高的制备温度带来的副作用可能会抵消这种优势贡献
磷酸腐蚀会使炭产生大量孔隙]所以,增加磷酸浓度和温度都有利于生物炭中孔和大孔结构的生成.另一方面,部分炭被磷酸氧化,在孔的表面和内部形成新的官能团.根据研究,在中温活化条件下(400~600 )℃ 磷酸的活化会引起 C–O–PO3 和 C–PO3等新官能团的形成[30];Zhao 等在研究磷酸活化低 温生物炭(300 )℃ 时,发现磷酸的加入导致碳元素的含量增加,氧元素的含量降低,这说明磷酸活化有利于生物炭的芳香化程度的增加.总之,磷酸活化不仅能为生物炭引进含磷基团并提高了生物炭的炭化程度,也能通过溶胀现象分离纤维素来增加孔隙度
过氧化氢是一种极弱的酸通常被作为氧化剂、消毒剂和脱色剂使用.过氧化氢的化学性质极其不稳定,会自发性或在催化剂存在的条件下分解产生水和氧气.过氧化氢能和多种过渡金属发生芬顿反应和类芬顿反应,所以催化过氧化氢产生自由基降解污染物在治理空气污染和水
另一方面,过氧化氢活化生物炭产生活性物种也开始逐渐被人们关注.不同浓度的过氧化氢在低温下解离形成 HO2 - 和 H+ ,可与生物炭基质发生氧化反应,进而增大生物炭的比表面积.此外,过氧化氢活化也能增加生物炭表面的羧基、内酯和羟基等基团的数量(图 7),其中羟基的数量会随着过氧化氢浓度的增加而线].Zou 等在研究过氧化氢活化水热生物炭对铜离子的吸附时发现,过氧化氢的加入有利于生物炭表面的羧基基团的产生,这大幅度提高了生物炭对铜离子的吸附能力.除此之外,Han 等在研究过氧化氢活化水热生物炭吸附去除铀离子时发现,过氧化氢活化产生的大量含氧基团(羧基和羟基)也为铀离子提供了大量的吸附位点.也有研究表明,单一的过氧化氢活化引起的变化主要发生在炭表面表面上,对诸如孔隙率等整体性能没有显著影响,但如果将过氧化氢活化后的生物质再进行热处理,吸附在表面的过氧化氢将会受热分解生成水蒸汽和氧气,从而增大生物炭的孔径和比表面积.
通过回顾酸活化,碱活化,气体活化,等离子活化和金属浸渍 5 种生物炭活化技术,及活化后生物炭强化催化过程中吸附作用和强化催化降解作用发现,针对增强生物炭的比表面积和孔径从而能增大炭的吸附能力,碱活化具有非常积极的意义;
酸活化则偏向于为生物炭提供更多的官能团,从而增加生物炭表面的酸性位点和持久性官能团的含量;而气体活化在增大生物炭比表面积和孔径的同时也生物炭表面引进不同种类的官能团,从而强化催化过程中炭的吸附能力以及催化降解能力;金属浸渍则能对增加生物炭的表面活性位点以及改进生物炭的比表面积和孔径等物化性质有积极的贡献;等离子体活化作为一种高能的物理活化的方式,可以通过改变载气类型实现不同元素种类的官能团引进从而增强生物炭的吸附能力.
