Page 59 - 《精细化工》2022年第1期

第 1 期 陈冠益，等: 污泥生物炭基催化剂在高级氧化水处理的应用 ·49·

同时改善污泥生物炭的比表面积和孔径分布 [19] 。对 污泥生物炭的改性旨在通过物理化学方法，调
于重金属含量高的工业污泥，采用干法热解不仅需 整生物炭表面理化性质，达到增强其催化活性的作
要对污泥进行预处理脱水，而且需要提高热解温度 用。其中，化学方法包括酸碱改性和金属氧化物改
以稳定重金属 [23] 。相比之下，水热炭化则无需污泥 性。如 MIAN 等 [32] 将制备出的污泥生物炭用 KOH、
预处理脱水，在较低温度下即可将重金属稳定在固 NH 4 OH 或 HCl 溶液改性，发现改性后的生物炭比表
相生物炭中 [24] 。 面积增大，催化活性显著提高。ZHANG 等 [19] 通过
不同方法制备的生物炭，其微观结构或性质存 预混合铁泥和生物污泥进行共热解制备出含铁污泥
在差异，相应的催化活性有所不同。如传统热解过 生物炭，应用于芬顿体系催化降解亚甲基蓝，去除
程，升高热解温度可显著提高生物炭石墨化程度、 率可达 80.0%以上。物理方法如调整反应气氛，同
电导率以及孔隙率；同时促进金属元素的附着 [14] 。 样可改善生物炭结构。在 CO 2 气体下热解，可促进
这些活性位点的增多可提高生物炭催化活性，如石 微孔结构生成 [17] ；NH 3 条件下热解，可在生物炭表
墨化程度升高可增强活化过硫酸盐能力；电导率的 面引入含氮基团，增强催化活性 [18] 。因此，可通过
升高可改善生物炭表面电子传递过程，增强污染物 物理化学方法定向设计污泥生物炭表面结构，以增
与氧化剂的相互作用；孔隙率提高可改善吸附过程； 强其在高级氧化体系中的催化活性。
金属活性位点增多可直接诱导氧化剂分解，促进活
性物种的生成。相比之下，水热炭化法制备的生物 2 污泥生物炭基催化剂在高级氧化水处理
炭，含氧基团更多、比表面积较小以及炭化程度较 中的应用
低 [22] ，催化活性相对较差。
2.1 光催化体系
微波热解法通过将电磁能转化为热能从而热解
制备生物炭。微波热解直接从原料内部进行加热， 光催化过程可生成强氧化性的自由基，有效分
更加均匀高效。微波吸收剂（一种可增加原料对微 解环境中存在的多种有机污染物，广泛用于水污染
波吸收能力的物质）对微波加热有很大影响，通常 修复。基于污泥生物炭的大比表面积以及丰富的含
水可作为微波吸收剂。因此对于含水率较高的污泥， 氧官能团等优势，可通过促进吸附、表面电子转移
采用微波热解制备生物炭可减少污泥干化过程的能 增强光催化活性。如表 1 所示，多种污泥生物炭基
耗 [25-28] 。相比于传统干法热解，微波热解生物炭具 TiO 2 光催化剂成功用于水中污染物的去除。然而，
有更高的比表面积和孔隙体积 [29] 。然而，微波热解 目前仍需增强污泥生物炭基光催化剂的可见光响应
需外加金属或炭基吸收剂，以达到所需的加热速率 性，简化制备过程，深入探究光催化组分与生物炭
和热解温度，这将影响生物炭的组成 [29-31] 。 的协同作用机制。

表 1 污泥生物炭基催化剂在光催化体系中的应用
Table 1 Application of sludge biochar-based catalysts in photocatalytic system
催化剂名称 催化剂制备方法 污染物 水处理反应条件 去除率/% 活性物种 参考文献
TiO 2-AC RM N 2 气氛，800 ℃热解 3 h 亚甲基蓝 320～390 nm 紫外光，c(亚甲基 100.0 •OH 和 O 2• [33]
–
蓝)=78.2 μmol/L，ρ(TiO 2)=0.5 g/L，
ρ(AC RM)=0.05 g/L，t=60 min
SS-Ti-700 混合 TiOSO 4•2H 2O 与脱水污泥 对硝基苯酚 >400 nm 可见光，ρ(对硝基苯酚)= 92.9 •OH [34]
水热反应后，产物于马弗炉中 35 mg/L，ρ(SS-Ti-700)=1 g/L，t=10 h
700 ℃煅烧 5 h
–
TiO 2/Fe/Fe 3C- 将 不同比例 的污 泥、 FeCl 3 、 亚甲基蓝 模拟日光，ρ(亚甲基蓝)=200 mg/L， 96.0 O 2• [35]
生物炭 Ti(OBu) 4、壳聚糖和戊二醇等混 ρ(催化剂)=1 g/L，pH=6.7，t=300 min
合后，经过絮凝、过滤和干燥
后，将产物在 N 2 气氛下 800 ℃
热解 1 h
注：TiO 2-AC RM 为 TiO 2 掺杂市政污水污泥炭；SS-Ti-700 为钛掺杂污水污泥生物炭；TiO 2/Fe/Fe 3C-生物炭为 TiO 2/ Fe 3C 复合生物
炭。

MATOS 等 [33] 首次将市政污泥与商业 TiO 2 混合 分（Fe 2 O 3 和 Fe 3 C）显著增强了 TiO 2 的光催化活性。
热解制备出 TiO 2 -AC RM 复合光催化剂，紫外光照射 类似地，YUAN 等 [34] 以污泥为载体，原位合成污泥
下，60 min 可完全去除亚甲基蓝。生物炭中含铁组 生物炭基 TiO 2 光催化剂（SS-Ti-700），可见光下，