生物炭对废水中铜离子吸附的研究进展：改性方法与吸附机制

背景介绍废水中的重金属铜离子（Cu(II)）会污染水体生态环境，并会通过食物链对人体健康造成潜在危害。生物炭可作为废水中Cu(II)去除的有效吸附剂。然而，原状生物炭对Cu(II)的吸附量有限，需要对生物炭进行定向改性以提升其去除效果。目前，关于生物炭对水中重金属离子去除的综述报道已经很多，而专门综述改性生物炭对废水中Cu(II)的吸附却没有报道。文章亮点01文章以废水中重金属Cu(II)为研究对象，综述了生物炭吸附Cu(II)的主要改性方法和吸附机制；02并对未来的研究提出了展望，希冀为生物炭的应用及废水中Cu(II)的污染控制提供参考。内容介绍1生物炭对Cu(II)吸附的改性方法1.1

酸改性酸改性生物炭常用的改性剂是H3PO4、H2SO4、H2O2、HNO3和Na2S2O3等。酸性表面官能团的引入能为生物炭提供更多的吸附位点，通过配位作用更多的吸附废水中的Cu(II)。1.2

碱改性碱改性常用的是KOH改性、NaOH改性、氨基改性和氮改性等，其中KOH改性研究报道较多。碱改性的主要目的是增大比表面积、制造发达的孔隙结构和引入碱性基团。1.3

物理改性物理改性方法主要包括球磨技术和气体活化技术，改性的主要目的是增大生物炭的比表面积和孔隙结构。1.4

金属改性金属改性主要包括铁和锰改性等，主要目的是引入磁性组分有利于固液分离、引入更多的吸附位点有利于Cu(II)的去除。1.5

矿物质改性矿物质改性包括硅改性和纳米羟基磷灰石负载等，改性的主要目的是引入矿物质成分，增加生物炭的沉淀和配位能力。1.6

高分子聚合物改性可以利用高分子聚合物对生物炭进行改性，如壳聚糖和2-硫脲嘧啶等。2吸附机制2.1

孔隙扩散生物炭表面微孔(<2nm)和介孔(2～50nm)的存在决定了孔填充机制是吸附重金属的重要机制。生物炭的比表面积和孔隙结构决定了孔隙扩散机制。通常，高比表面积和发达的孔隙结构可为生物炭吸附Cu(II)提供更多的位点。2.2

静电作用静电作用是影响生物炭去除Cu(II)的主导机制之一。生物炭表面呈现的负电荷易与Cu(II)之间发生静电作用。生物炭表面的官能团是影响静电作用的重要因素，官能团在不同pH下呈现不同的化学形态，进而影响静电作用。生物炭的Zeta电位也会影响对重金属离子的静电作用。2.3

沉淀作用沉淀作用也是生物炭去除Cu(II)的关键机制之一。沉淀作用常见于富含矿物质生物炭对Cu(II)的去除。生物炭中含有的矿物质离子，特别是OH-、CO32-、PO43-、SO42-和SiO44-等矿物质离子能与Cu(II)之间形成沉淀。2.4

配位作用配位作用是生物炭去除Cu(II)的主要机制，因为Cu(II)的配位能力较强，其能与生物炭中含有的羧基、氨基等官能团形成吸附位点，这些吸附位点与金属离子之间发生配位作用。对含有丰富官能团的生物炭（低温生物炭）来说，配位作用是生物炭去除Cu(II)的主要机制。生物炭的酸改性、铁锰改性等就是为了引入官能团从而有效的配位Cu(II)。2.5

阳离子-π机制重金属离子和生物炭的芳香基团之间的阳离子-π键合可被定义为带正电荷的离子与芳香电子供体体系的平面表面之间非共价相互作用。2.6

离子交换机制生物炭上带电阳离子能溶解并与Cu(II)之间发生离子交换作用，特别是对含矿物质离子丰富的生物炭。2.7

还原作用还原作用也是生物炭去除Cu(II)不容忽视的机制。生物炭中的含氧官能团或是负载的还原性物质（Fe0）能有效的还原废水中的Cu(II)。研究显示，生物炭具有氧化还原能力，可以作为电子供体或电子受体。3结论与展望本文以废水中重金属Cu(II)为研究对象，综述了生物炭吸附Cu(II)的主要改性方法和吸附机制。改性生物炭中，研究较为广泛的化学改性（酸、碱、高分子聚合物改性）、物理改性（球磨和气体活化）、金属改性（铁、锰改性）和矿物质改性等。各种改性方法对Cu(II)去除效果提高的次序是：纳米羟基磷灰石>含氨基有机酸改性>锰改性>铁改性>碱改性。生物炭吸附Cu(II)的主要机制包括孔隙扩散、静电作用、沉淀作用、配位作用、阳离子-π机制、离子交换和还原作用，具体的主导机制还与生物炭的物化性质和溶液的性质有关。未来的研究方向包括：（1）制备效果更优异的改性生物炭，能更好的去除痕量污染的Cu(II)，特别是用含有氨基或含有氨基的有机酸改性能明显提升生物炭对Cu(II)的效果。（2）采用密度泛函理论（DFT）或同步辐射等先进的仪器或模型从分子水平探究生物炭