Page 46 - 《精细化工》2022年第1期

·36· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

自然界中，植物每年产生约 200 亿吨木质纤维
素，其中 8~20 亿吨可被利用 [11] 。人类生产生活产生
的废弃木质纤维素生物质包括农业副产物、林业木
材废料以及城市餐厨垃圾等 [12] ，产量巨大且污染环
境。木质纤维素生物质由于具有高碳含量、高相对
分子质量、高度环化结构等组成结构特点及可再生、
来源广泛等优势，成为最具实用价值的炭材料前
驱体。

2 生物质磁性炭的制备方法

生物质炭是由富含碳的木质纤维素生物质在无
氧或缺氧条件下经过高温裂解生成的一种高度芳香
化、富含碳素的多孔固体材料。生物质磁性炭则是
由生物质炭基体和磁性颗粒组成。磁性颗粒通常是
铁、钴、镍或其氧化物，如 Fe(0) [13] 、γ-Fe 2 O 3 [14] 、
[15] [16] 等。磁性纳米颗粒作为吸附剂，
Fe 3 O 4 、CoFe 2 O 4 [21]
具有比表面积大、便于分离等特点，但也存在许多 图 2 生物质磁性炭的 SEM（a~c）与 TEM（d）图 ；
Fe(0)/生物质炭复合材料的 SEM 图（e~f） [22]
缺点。如纳米零价铁还原活性很强，在去除水中污
Fig. 2 SEM (a~c) and TEM (d) images of magnetic
染物方面应用广泛，但其表面易氧化，颗粒易团聚； biochars [21] ; SEM images of Fe(0)/AC composites
纳米氧化铁材料具有吸附能力强、无毒、成本低、 (e~f) [22]

环境相容性好等特点，但粉末状纳米氧化铁存在易
浸渍热解法可以通过调节磁性金属前驱体、表
团聚、易流失等缺点；Fe 3 O 4 磁性纳米颗粒具有良好
面活性剂和有机溶剂的比例控制生成的磁性纳米颗
的生物相容性、低毒性、表面易于修饰等特点，但
粒的大小和形貌，由该法制备的磁性纳米颗粒具有
其热力学稳定性差，室温下会缓慢氧化为 γ-Fe 2 O 3 ；
良好的分散性、结晶性能和磁性能，但该方法步骤
双金属因高的比表面积及加入第二种金属元素后电
子配位带来的协同强化 [17-20] 而展现出比单金属更强 复杂、成本较高，热解过程中碳氢化合物的热分解
或不完全燃烧会形成多余的炭黑，且通常需要在惰
的催化活性及反应选择性，但制备成本高、纳米颗
性气氛下热解以避免磁性物质的氧化。
粒间淬火易烧结。
2.2 共沉淀法
依据磁性颗粒制备过程的不同，可将生物质磁
共沉淀法制备生物质磁性炭是将生物质炭粉末
性炭的制备方法分为浸渍热解法、共沉淀法、还原
2+
3+
与 Fe 、Fe 混合盐溶液混合，在不断搅拌、惰性
法、水热法等。
气体保护的同时，滴加 NaOH 溶液产生沉淀，老化
2.1 浸渍热解法
3+
浸渍热解法制备生物质磁性炭是通过含 Fe 、 一定时间，再经洗涤、干燥，得到 Fe 3 O 4 /生物质炭。
2+
2+
Fe 、Co 等金属离子的溶液浸渍生物质，除去溶剂 该方法比浸渍热解方法复杂，但能将铁基粒子稳定
地负载到生物质炭基质上。其反应式为：
后，在惰性气体保护下高温热解，得到负载不同磁
性化合物的生物质磁性炭。浸渍热解法是一步完成 Fe 2  2Fe 3  8OH   Fe O  3 4 4H O （1）
2
热解和磁化作用的，可以通过调节工艺参数（如炭 MOHAN 等 [23] 通过化学共沉淀法将橡树皮生物
化温度、炭化时间和保护气流速等），调节生物质磁 质炭和橡树木生物质炭转化为生物质磁性炭。Fe 3 O 4
性炭的孔道结构进而改善其吸附能力。 和 γ-Fe 2 O 3 颗粒在形成过程中堵塞了部分生物质孔
WEI 等 [21] 用 Ni(NO 3 ) 2 •6H 2 O 预处理棉花后进行 道，且生物质表面存在一定数量的磁性纳米颗粒团
3+
热解，得到含有大量贯通孔道结构的生物质磁性炭。 簇。BASTAMI 等 [24] 将胡萝卜渣活性炭粉末与 Fe 、
2+
大量 Ni 纳米粒子均匀分散在炭基体中，Ni 纳米粒 Fe 混合盐溶液预先混合，滴加氨水至 pH=9，获得
子的直径在 50~100nm 之间（图 2a~d）。SU 等 [22] 用 了负载 Fe 3 O 4 的生物质磁性炭。Fe 3 O 4 尺寸约为
FeSO 4 溶液浸渍椰壳纤维，干燥后在 500~700 ℃下 11.7 nm，均匀分散的 Fe 3 O 4 促进了生物质炭表面海
热解，得到了含有 Fe(0)、Fe 3 C、Fe 3 O 4 的生物质磁 绵状结构的形成。
性炭。磁性颗粒的形状不规则，形成了直径达 100~ 共沉淀法最大的优点是制备工艺简单、易操作、
400 nm 的团簇（图 2e~f）。 可大批量生产。其缺点是产品粒径分布不易控制，