Page 49 - 《精细化工》2022年第1期
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第 1 期                     庞   杰，等:  木质纤维素生物质磁性炭的水处理应用进展                                   ·39·


            其饱和磁化强度为 15.0 emu/g。                               容易，加热更均匀快速，可减少挥发成分的二次反
            3.3    炭化温度                                        应，无热滞后现象，具有高效、低能耗、可控性好
                 炭化温度是影响生物质炭性质最重要的条件之                          等特点   [51] ，现已成为一大研究热点。
            一，其对生物质磁性炭的产率、结构、比表面积、
            孔容、孔径和吸附能力等性质特征均有明显影响。
                 康彩艳等    [44] 分别以香蕉秸秆、木薯秸秆为原料，
            采用限氧热解法在不同炭化温度下制备生物质炭，
            探究不同炭化温度对其理化性能的影响。发现随着
            炭化温度的升高，生物质炭产率下降，H、O、N 等
            元素含量减小，且灰分、pH、等电点等均随炭化温
            度升高而增大。LIU 等         [45] 分别在 650、700、750 和                                               [52]
                            3+
            800  ℃下炭化 Fe 浸渍后的花生壳粉制备生物质磁                            图 4   常规加热方式和微波加热方式的对比
                                                               Fig. 4    Comparison of conventional heating and microwave
            性炭并进行分析表征。结果表明，当炭化温度由                                    heating [52]
                                                        2
            650 ℃升高至 800 ℃时，材料的比表面积由 2.4 m /g                             [53]
                          2
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            增大至 8.81 m /g、总孔容由 0.020 cm /g 增大至                     LAM 等    将 NaOH 和 KOH 以 1∶1 的浸渍质
                   3
            0.05 cm /g，对三氯乙烯的去除效率由 37.3%增大至                    量比对果皮进行化学浸渍，在 550 W 功率下微波炭
                                                               化 5 min 得到了生物质炭并用于染料吸附，结果表
            100%。且随着炭化温度的提高，部分铁氧化物由原
                                                               明，采用微波辅助炭化技术炭化生物质，所得产物
            来的 γ-Fe 2 O 3 转变为 Fe(0)，说明随炭化温度的变化，
                                                               炭质量分数达 87.0%，以孔雀绿为目标吸附物，其
            生物质磁性炭内负载的磁性颗粒会随之变化，从而
                                                               吸附量达 28.5 mg/g。相较于常规加热炭化方式，该
            影响磁性多孔炭的性能。
                                                               方法用时短、节能、且炭化效率更高 。
            3.4    炭化时间
                                                               OMORIYEKOMWAN 等      [54] 在 500 和 600 ℃下微波炭
                 炭化时间对生物质炭稳定性的影响较为显著，
                                                               化棕榈壳前驱体制备中空炭纳米纤维，发现微波产
            随着炭化时间的延长，生物质炭的石墨化程度增加，
                                                               生的电弧可以促进生物质颗粒脱除挥发物，挥发物
            稳定性更好。
                 CROSS 等  [46] 将甘蔗渣在最高炭化温度 350  ℃              进一步固化凝结形成焦油，焦油不断从生物质颗粒
                                                               内自挤出，在通过纳米尺度通道的过程中促进中空
            时的停留时间从 20 min 提高到 80 min，生物质炭的
                                                               炭纳米纤维的形成。
            稳定性提高；但当甘蔗渣的最高炭化温度为 550  ℃
            时，提高甘蔗渣在最高温度的停留时间对生物质炭                             4   生物质磁性炭在水处理领域中的应用
            的稳定性并没有显著的影响，这说明炭化温度和炭
            化时间共同影响着生物质炭的稳定性。此外，炭化                                 生物质炭的吸附作用与其组成、多级孔结构以
            时间对孔径和孔体积有一定影响，闫双娇                    [47] 探究制     及表面官能团种类等有关            [55] 。生物质炭的多级微孔
            备条件对秸秆生物质炭理化性质的影响时发现，当                             结构有利于其对重金属离子的吸附、拦截，从而降
            炭化温度为 400  ℃、炭化时间由 10 min 延长至                      低重金属离子活性及移动性，其表面的含氧官能团
            30 min，生物质炭的孔径由 70 nm 减小至 67 nm，孔                  也为重金属离子提供了丰富的结合位点。通常，木
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            体积由 0.36 cm /g 增大至 0.45 cm /g，但其影响远小               质素含量高的原料（如杨木等木本植物）炭化后大
            于炭化温度对孔径和孔体积的影响。                                   孔增多，而纤维素含量高的原料（如稻草秸秆等草
            3.5    炭化方式                                        本植物）炭化后多以微孔为主              [56] 。就表面官能团种
                 根据生物质炭化过程中升温速率及在最高温度                          类而言，生物质炭表面的羧基、酚羟基、内酯基等
            时保留时间的差异，可将其炭化方式分为慢速炭化、                            含氧官能团呈酸性，利于负电性有机染料的吸附，
            快速炭化、气化炭化、水热炭化和新型炭化方式                      [48] 。   氨基、酰胺基等含氮官能团呈碱性，利于正电性有
                 微波炭化是一种新型炭化方式，其和传统炭化                          机染料的吸附。研究表明，草本类生物质炭表面含
            方式的主要不同点在于加热模式不同。传统炭化通                             氧官能团含量高于木本类生物质炭                [57-58] ，非纤维素
            过热传导或热对流方式将能量从外部传递至内部，而                            类生物质炭相比纤维素类生物质炭具有更多的含氮
            微波设备通过颗粒内部的偶极旋转和离子传导                      [49-50]  官能团   [59] 。由不同污染物的吸附机制可知，草本类
            将能量直接供应在碳层（图 4）。由于微波炭化独特                           生物质炭对单层吸附或负电吸附依赖性更高的目标
            的传热传质规律，其加热机制与传统炭化方式相比，                            污染物具有更高的吸附选择性。除了生物质炭本身
            炭化过程更简单，对反应条件和预期产物的控制更                             的吸附效能，通过引入磁性组分制备得到的磁化生
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