生物炭吸附廢水中重金屬鉛技術(shù)
由于重金屬不能被微生物降解，它通過食物鏈在動物、人體內(nèi)蓄積，嚴重影響人體健康，尤其是鉛離子在動植物及人體內(nèi)累積，達到一程度后就會產(chǎn)生嚴重危害，尤其對免疫力低下人群。鉛蒸汽和鉛粉塵極易通過呼吸道進入人體，通過消化道吸收進入血循環(huán)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年重金屬鉛的排放量高達4.5t/a，主要有鑄造、采礦、涂料、冶煉、油漆、農(nóng)藥、化肥、電鍍等。
生物炭也稱生物質(zhì)炭，是生物殘體在缺氧或無氧條件下，熱解（通常≤700℃）得到的一類難熔、穩(wěn)定、高度芳香化、含炭的固態(tài)物，主要組成元素有碳、氫、氧、氮等。具有成本低、無污染、生態(tài)安全、易大面積推廣等特點。其作為一種新型環(huán)境功能材料在農(nóng)業(yè)土壤改良、污染土壤修復(fù)、溫室氣體減排等方面有巨大應(yīng)用潛力，是目前的國內(nèi)外的研究熱點。生物炭具有良好孔隙結(jié)構(gòu)、較大的孔隙度和巨大的比表面積，其表面含有羧基、酚羥基、羰基、酸酐等基團，這些結(jié)構(gòu)特性使生物炭具備了良好的吸附特性及穩(wěn)定性。
生物炭制備主要以秸稈、木屑，玉米芯，麥稈等植物，動物糞便以及污泥為主。每年我國產(chǎn)生3000萬噸-4000萬噸含水率在80%左右的市政污泥，目前污水處理大部分只是一個污染物轉(zhuǎn)移的過程，把污染物從水轉(zhuǎn)化到了污泥中，當前普遍采用的污泥的處理方法主要有干化焚燒、填埋、堆肥等，污泥的處理與處置一直是一個難題，國內(nèi)大部分污泥處理是在于將污染物減量化，并沒有使其資源化；我國每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈約23010萬噸，農(nóng)作物秸稈是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的，其有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物，此外還有少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪。我國大部分秸稈都被直接燃燒，造成資源浪費且易造成大氣污染；我國畜禽養(yǎng)殖總量不斷上升，每年產(chǎn)生38億噸畜禽糞便，糞便中主要含有蛋白質(zhì)、脂肪類、有機酸、纖維素以及鉀、磷等微量元素，目前我國動物糞便有效處理率卻不到50%，若不進行有效處理，容易污染土壤及地下水。這些不僅造成資源嚴重浪費，對我們周邊環(huán)境也造成危害。
通過熱解技術(shù)制備生物炭是一種很有潛力的資源化利用途徑，熱解可以很大程度降低物質(zhì)的體積，滅菌及回收物質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)。是有機廢棄物資源化利用的有效途徑之一。熱解炭具有活性碳的一些特點，通過探究熱解工藝，從而熱解炭的性能達到或優(yōu)于活性炭標準，可吸附重金屬用于土壤修復(fù)和廢水深度處理。
1、生物炭吸附海產(chǎn)品中重金屬鉛離子的原理
生物炭不是一般的木炭，是一種碳含量極其豐富的木炭。它是在低氧環(huán)境下，通過高溫裂解將木材、草、玉生物炭米稈、海產(chǎn)品污泥或其它農(nóng)作物廢物碳化。這種由植物形成的，以固定碳元素為目的的木炭被科學(xué)家們稱為”生物炭”。它的理論基礎(chǔ)是：生物質(zhì)，不論是植物還是動物，在沒有氧氣的情況下燃燒，都可形成木炭。
生物炭是一種經(jīng)過高溫裂解”加工”過的生物質(zhì)。裂解過程不僅可以產(chǎn)生用于能源生產(chǎn)的氣體，還有碳的一種穩(wěn)定形式——木炭，木炭被埋入地下，整個過程為”碳負性”（carbon negative）。生物炭幾乎是純碳，埋到地下后可以有幾百至上千年不會消失，等于把碳封存進了土壤。生物炭富含微孔，不但可以補充土壤的有機物含量，還可以有效地保存水分和養(yǎng)料，提高土壤肥力。事實上，之所以肥沃的土壤大都呈現(xiàn)黑色，就是因為含碳量高的緣故。生物炭具有良好孔隙結(jié)構(gòu)、較大的孔隙度和巨大的比表面積，其表面含有羧基、酚羥基、羰基、酸酐等基團，這些結(jié)構(gòu)特性使生物炭具備了良好的吸附特性及穩(wěn)定性。
2、生物炭吸附海產(chǎn)品中重金屬離子鉛應(yīng)用
現(xiàn)鉛廢水處理技術(shù)主要采用離子交換、膜分離法、化學(xué)還原法、反滲透和蒸餾電滲析等。有研究表明，相比于傳統(tǒng)活性炭，生物炭對重金屬的吸附效果顯著，例如在200℃下燒制的牛糞生物炭對Pb2+的吸附量是普通活性炭吸附量的6倍。生物炭對重金屬離子的吸附主要依靠表面吸附，由于生物炭中H、N、S元素含量隨著熱解溫度的升高和熱解時間的增加而減少，所以生物炭中的含氧和含氮官能團減少，從而削弱生物炭對重金屬的吸附能力。相關(guān)文獻中如BEESLEY等（2011）研究也表明，生物炭對土壤中重金屬As3+、Cd2+、Zn2+的吸附主要依靠表面吸附，隨著熱解溫度的升高和熱解時間的增加，熱解生物炭形成了較多的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，與金屬離子間發(fā)生陽離子E2鍵作用，從而增強生物炭的吸附能力，提高熱解溫度并增加熱解時間有利于提高污泥熱解炭對重金屬的吸附能力。生物制炭與植物制炭在吸附機理上有一定的相似性，相關(guān)研究利用水稻秸稈制成生物炭進行土培實驗，研究了其對土壤pH和CEC等性質(zhì)的影響和吸附機制，表明生物炭對重金屬Pb的吸附主要是生物炭表面的含氧官能（-COOH和-OH）與Pb2+結(jié)合形成表面絡(luò)合物，從而將Pb固定在生物炭表面，主要依靠化學(xué)吸附，而不僅僅依靠生物炭比表面和孔體積引起的物理吸附。在研究水葫蘆炭、楊樹枝炭和玉米秸稈炭時也得出相同結(jié)論，其認為是由于水葫蘆表面有較多的含氧官能團致使其相較其它兩者較良好的重金屬吸附性能。同樣指出生物炭吸附重金屬主要依靠其富含的含氧官能團及其釋放的陽離子。因此在實際中應(yīng)控制合適的重金屬Pb2+污水濃度，以提高熱解生物炭的利用率。適當提高重金屬溶液濃度，提高熱解溫度和增加熱解時間有利于提高熱解生物炭對重金屬Pb2+的吸附量。提高熱解溫度和增加熱解時間有利于提高熱解生物炭對重金屬Pb2+的去除率。可見，利用熱解技術(shù)將廢棄物制備成生物炭來吸附污水中的重金屬鉛離子，為廢棄物資源化提供有效新途徑。
3、結(jié)語
通過熱解技術(shù)將秸稈、木屑，玉米芯，麥稈等植物、動物糞便以及海產(chǎn)品污泥等廢棄物制備成生物炭來吸附污水中的重金屬鉛離子，為廢棄物資源化利用及其在土壤和廢水重金屬治理中發(fā)揮出巨大作用，真正做到資源綜合利用。
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