研究简报｜不同改性剂对小麦秸秆生物炭结构及吸附性能的影响
近日，市环科院陆海楠博士以第一作者、杨洁博士为通讯作者在环境领域学术期刊Environmental Science and Pollution Research发表题为“Effects of different modifiers on the sorption and structural properties of biochar derived from wheat stalk”的论文。该研究获国家重点研发计划（2018YFC1802401）、上海市优秀技术带头人项目（19XD1434900）等资助。
硝基苯广泛用于炸药、杀虫剂、药品和染料的生产，硝基苯的大规模使用导致了水体污染，造成了生态毒理学和人类健康风险，目前硝基苯已被列为优先控制污染物。通过吸附法去除硝基苯是一种有效的去除手段。生物炭由于其具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构和高度芳香性等特点，是潜在的高效吸附剂，并在去除水体中有机污染物的应用中取得一定的效果。生物炭的吸附性能受其结构影响，如元素组成、极性、表面积和官能团等。将生物炭进行改性处理可以改变其性质及结构，并影响生物炭的吸附性能。然而不同改性剂对生物炭的结构及吸附性能具有差异性的结果，因此需进一步分析不同改性对生物炭的性质、硝基苯吸附行为及作用机制的影响。该研究基于盐酸、硫酸、氢氧化钠、过氧化氢、硝酸等不同改性剂对不同热解温度下小麦秸秆生物炭结构的影响，开展了改性生物炭对硝基苯吸附行为研究，探讨了不同改性生物炭对硝基苯吸附的作用机制，聚焦生物炭改性及其对环境介质中硝基苯的吸附行为展开了科学讨论。
研究结果
1、对硝酸、盐酸、氢氧化钠、过氧化氢、硫酸等不同改性处理的300、500、700℃生物炭进行了SEM、元素分析、BET等表征分析表明，改性处理后，生物炭表面的附着物大量去除，表面呈较光滑，吸附位点大量暴露，在700℃生物炭中表现明显。改性处理显著降低了300℃生物炭的芳香性，提高了极性；盐酸、氢氧化钠提高了700℃生物炭的芳香性，降低了极性。改性处理对700℃生物炭比表面积的影响较大，除硝酸改性外，均提高了700℃生物炭的总比表面积。
图：不同改性生物炭材料的SEM照片
（a CK-300; b CK-500; c CK-700; d H2O2-700;
e NaOH-700; f HCl-700）
2、生物炭样品对硝基苯的等温吸附采用Freundlich模型拟合较好。各改性处理均降低了300℃生物炭对硝基苯的吸附容量（KF）和吸附强度（n）；对700℃生物炭而言，NaOH、HCl改性生物炭的吸附容量增加。
图：不同热解温度下生物炭样品对硝基苯的吸附
(a CK; b HCl; c HNO3;d NaOH)
3、对生物炭性质参数与Freundlich吸附模型参数进行相关性分析发现，KF和n与生物炭性质参数的综合得分显著相关（p<0.01），说明生物炭的比表面积和元素组成显著影响了生物炭对硝基苯的吸附。
图：硝基苯吸附等温线指数
与生物炭PCA综合评分的相关性
4、对生物炭开展吸附分配作用机制分析发现，300℃生物炭对硝基苯的吸附以分配作用为主，硝酸、盐酸、氢氧化钠、过氧化氢、硫酸改性通过极性的增加，抑制了改性生物炭对硝基苯的分配作用。700℃生物炭对硝基苯的吸附以表面吸附为主，盐酸和氢氧化钠改性通过比表面积、有效孔隙、芳香性的增加，提高了两者对硝基苯的表面吸附。
图：分配作用（QP）和表面吸附作用（QA）
在生物炭对硝基苯吸附（QT）的定量贡献
(a CK; b HCl; c HNO3;d NaOH)
5、硝酸改性显著抑制了700℃生物炭对硝基苯的吸附，这可能是由于（1）硝酸改性对生物炭孔壁的破坏和孔的连续性而导致表面积的减少；（2）改性后的生物炭表面形成的硝基与硝基苯产生了强烈的排斥作用。
图：不同改性生物炭吸附硝基苯的可能机制
研究结论
改性剂对生物炭吸附硝基苯的作用具有差异性结果，化学改性没有改变生物炭对硝基苯的吸附机制，300°C生物炭以分配作用为主，500°C和700°C生物炭热解温度以表面吸附为主。各改性均抑制了300°C生物炭对硝基苯的吸附性能，然而各改性对700°C生物炭吸附性能的影响不一。盐酸和氢氧化钠改性显著提高了700°C生物炭对硝基苯的吸附，其可以作为潜在的吸附材料用于硝基苯污染修复。
作者简介
陆海楠，博士，上海市环境科学研究院博士后，2019年博士毕业于浙江大学，主要从事生物炭基修复材料制备及有机污染修复相关研究，发表论文5篇，参与国家自然科学基金重点项目、上海市科技人才计划等多项研究。
通讯作者
杨洁，博士，上海市环境科学研究院固土所所长/正高级工程师，主要研究领域为场地环境调查、健康风险评估、污染土壤和地下水修复技术研究和应用。
供稿人：陆海楠
责任编辑：院办公室
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