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隨著中國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展,工業(yè)廢水的排放量逐漸增加,其所含染料、重金屬離子、氟化物等傳統(tǒng)污染物與抗生素、微塑料、酚類化合物等新興污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成嚴(yán)重的威脅。

生物降解、電化學(xué)分離、混凝沉淀和膜分離等多種方法已用于工業(yè)廢水的處理,但去除率低、操作復(fù)雜、維護(hù)成本高。

與上述方法相比,吸附法因操作簡(jiǎn)便、吸附性能優(yōu)越且對(duì)環(huán)境友好,成為工業(yè)廢水處理的重要方法之一。生物炭是一種以玉米、石榴皮、甘蔗渣和秸稈等生物質(zhì)及其廢料為碳源,經(jīng)高溫?zé)峤庵苽涞奈讲牧?具有來源廣、易再生的優(yōu)勢(shì)。然而,生物炭的比表面積小、孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá),表面官能團(tuán)單一,難以滿足對(duì)極性污染物或大分子污染物的高效吸附需求。同時(shí),吸附過程易受pH、離子強(qiáng)度、污染物濃度等環(huán)境因素的影響,對(duì)成分復(fù)雜的混合污染物缺乏特異性吸附能力。因此,針對(duì)生物炭固有缺陷的活化改性策略已成為提升其工業(yè)廢水處理效能的關(guān)鍵研究方向。

生物炭的等離子體活化改性策略

直接炭化所得生物炭的比表面積較低、孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)。為獲得具有大比表面積、發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)和含有豐富官能團(tuán)的生物炭,可以采用等離子體活化、摻雜和功能化改性等策略對(duì)生物炭進(jìn)行活化改性。

等離子體改性可在生物炭表面構(gòu)建有效官能團(tuán),實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物的高效吸附。等離子體氧化處理是一種常用的方式,通過在大氣壓或真空環(huán)境中激發(fā)氧氣或空氣生成高活性氧自由基與生物炭表面碳原子發(fā)生反應(yīng),從而引入—COOH、—OH等酸性官能團(tuán)。等離子體改性會(huì)造成生物炭的局部坍塌,導(dǎo)致比表面積略有降低,但由于化學(xué)吸附占主導(dǎo)地位,因此,對(duì)污染物的吸附能力得到顯著提升。

等離子體再生生物炭機(jī)理

等離子體主要由正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子、電子和強(qiáng)氧化性自由基等組成,作用于有機(jī)物上會(huì)使C—C、C=C和C≡C以及其他不飽和鍵發(fā)生斷鍵,使大分子變成小分子,并逐步被氧化分解成H2O和CO2。富集在生物炭表面的有機(jī)物質(zhì)被氧化分解后,生物炭表面的吸附點(diǎn)位恢復(fù),活性炭得以再生。生物炭在經(jīng)等離子體再生后,其表面含氧官能團(tuán)的數(shù)量會(huì)有所增加,可以在一定程度上提高它的吸附性能。

使用低溫等離子體活化改性技術(shù)對(duì)生物炭進(jìn)行改性是一種有效且環(huán)保的方法,不僅能夠引入酸性基團(tuán)提高對(duì)生物炭對(duì)污染物的吸附能力,同時(shí)還可以用于生物炭再生和循環(huán)利用。