Page 58 - 《精细化工》2022年第1期

·48· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

高级氧化水处理，即应用光催化氧化、芬顿氧 1 污泥生物炭基催化剂的制备方法
化、过硫酸盐氧化、臭氧氧化、电化学氧化、声化
学氧化等高级氧化工艺产生的活性氧物种进行污染 生物炭是指生物质原料在缺氧或无氧条件下加
[5]
物降解或水体消毒，实现水体净化 。其中，光催 热脱氢炭化生成的多孔富炭固体材料，可用作催化
化体系采用金属氧化物或硫化物半导体材料（如 剂或载体 [13] 。污泥作为生物炭的制备原料之一，具
TiO 2 、ZnO、CdS、SnO 2 等）吸收光能，激发电子 有大量的碳、铁、硅、铝以及其他多种金属和非金
空穴对，进而产生羟基自由基（•OH）和超氧自由 属元素，所衍生的污泥生物炭基材料具有大比表面

[6]
基（O 2 •），氧化降解水中污染物 。相比之下，芬 积、金属相结构以及多种催化活性位点，已引起广
0
顿体系则多采用 Fe 基催化材料（如 Fe 、Fe 3 O 4 、Fe 3 C 泛关注。污泥生物炭可通过多种途径制备，包括干
等），通过均相和非均相反应活化过氧化氢（H 2 O 2 ） 法热解（300~1000 ℃）、湿法热解（180~250 ℃）、
[7]
产生•OH，参与污染物降解 。而过硫酸盐体系中， 微波热解和烘焙（200~300 ℃）。其中，烘焙法制备
通过多种活化方式（如碱、热、光辐射、过渡金属、 的生物炭催化活性低，以下侧重介绍干法热解、湿
法热解和微波热解。此外，在上述污泥生物炭制备
碳质材料）可激活过硫酸盐产生硫酸根自由基

（SO 4 •），其氧化还原电位和半衰期均高于•OH，水 过程中添加活性组分，可制备改性的污泥生物炭基
[8]
处理效果更加显著 。 催化剂。
干法热解是传统的生物炭制备方法，即在干燥
生物炭具有石墨化碳、表面含氧基团和缺陷结
构等多种活性位点，在本课题组最近的报道中，所 无氧条件下加热原材料制备生物炭。干法热解过程
的主要影响因素为热解温度、升温速率以及热解气
制备的改性生物炭已成功应用于活化过硫酸盐降解
磺胺甲唑 [9-10] 。同样，污泥含有大量的碳、铁、 氛。热解温度会影响污泥生物炭的形态、理化性质
与产率。热解温度升高，生物炭石墨化程度、电导
硅、铝以及其他多种金属和非金属元素。通过热转
化制备的污泥生物炭基材料具有大比表面积、金属 率以及孔隙率升高，稳定性增强，生物炭中铁、锌
相结构以及多种催化活性位点 [11] ，已广泛应用于光 等微量元素的附着性增强 [14] ，有利于提高催化活性；
催化氧化、过硫酸盐氧化、芬顿氧化等体系中，实 同时高温过程产生的气体有助于促进生物炭表面多
[12]
现水体中难降解有机物的高效去除（如图 1 所示） 。 孔结构的形成。然而，过高的热解温度可降低生物
然而，污泥生物炭基催化剂的可回收性差、重金属 炭的产率，减少表面官能团的数量 [15] 。根据升温速
率的不同，热解可分为慢速热解与快速热解。慢速
浸出等问题亟待解决。目前，尚缺乏污泥生物炭基
催化剂在高级氧化水处理中应用的系统总结报道。 热解的加热速率在 0.1~1.0 ℃/s，加热过程中原料发
生吸热转化，产生气体与大量生物炭。快速热解（100
因此，本文对污泥生物炭基催化剂进行系统性总结，
℃/s 以上）过程产生较少的热解气与生物炭 [16] 。通常，
有利于开发新型高效生物炭基材料，促进其在高级
氮气（N 2 ）和氩气（Ar）用于生物炭制备过程的保
氧化水处理中的应用；同时，有利于实现废物利用、
护气，而使用 CO 2 和 NH 3 等反应性气氛可改善生物
以废治废，具有环境及经济双重效益。本文主要总
炭表面化学组成。如 CO 2 气氛下热解可增大生物炭
结了污泥生物炭基催化剂的制备方法及其在高级氧
的比表面积和含氧基团数量 [17] ；NH 3 气氛下可改善
化水处理中的应用，帮助研究人员了解污泥生物炭
生物炭表面孔隙结构，促进微孔结构生成，制备分
基催化剂的应用现状。 [18]
层多孔的氮掺杂生物炭材料 。然而，对于污水经
生物-芬顿处理产生的铁泥，采用干法热解制备的生
物炭中铁存在形式多为三价铁，催化活性较差；
ZHANG 等 [19] 则采用水热炭化法，制备出含 Fe 3O 4 的
磁性污泥生物炭（MBC），催化活性显著增强。
湿法热解即水热炭化法，该技术以亚临界水为
介质将生物质原料转化为含碳产品 [20] 。通常，污泥
在 180~250 ℃下水热炭化 1~24 h，可产生 36.0%~
72.0%的生物炭 [21] 。水热炭化无需干燥原料、能耗
[22]
低、环境效益高 。经水热炭化制备的污泥生物炭
图 1 污泥生物炭基催化剂在高级氧化体系中的应用 的炭化程度较低 [19] 。通过混合铁质污泥（芬顿处理
Fig. 1 Application of sludge biochar-based catalysts in
advanced oxidation processes 单元产生的含铁污泥）和生物污泥可改善炭化程度，