【《污泥生物炭的研究进展国内外文献综述》3700字】

附录污泥生物炭的研究进展国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u8519污泥生物炭的研究进展国内外文献综述 143781.1污泥的来源、组成和处置技术 1275971.2污泥生物炭简介 2194241.3污泥生物炭的改性 2202441.4污泥生物炭在重金属废水处理中的应用 41.1污泥的来源、组成和处置技术污泥是在城市污水各级处理过程中产生的副产物[52]。随着人口的增加和工业活动的多样化，污水的处理量和污泥的产量也随之增加。有研究表明，我国在2017年产生的污泥量（80%的含水率）为5000万吨，且其产量还处于持续增加的状态[53]。污泥的体积和组成很大程度上取决于地理区域、当地条件、现场处理操作，甚至受到季节的影响[54]。总的来说，一般的污泥的组成包括脂质、碳水化合物（如糖、淀粉）、有机碳、氮、磷和水。此外，污泥中还含有一定的潜在危害成分，例如金属（如Cu、Fe、Ni、Zn、Cd、Cr、As、Pb和Hg）和难降解有机物（如多环芳烃）[55]。长期以来，产生的大量污泥被认为是废物，因为污泥的来源不同和复杂的组成可能会带来巨大的管理挑战。为了减少污泥的危害并提升污泥的效益，人们采用了很多种方式对污泥进行处理处置。常见的方法有：填埋[56]、作为农业的调理剂[57]、厌氧消化污泥可以用来产生物燃气和沼渣沼液用于农业过程[58]、作为低成本的原料用于制造建筑材料[59]和通过燃烧或气化进行热化学转化，用于产生能源和生产生物燃料[60]。不幸的是，这些技术存在着一些缺点，如气味难闻、产量相对较低、有污染物释放等。相反，热解法则展示出其优势。热解是在一定温度、缺氧条件下发生的热化学转化方法，污泥的热解可以大大减少污泥的体积，杀灭病原体，降低有害物质的生物利用度，还可以将污泥转化为生物油用作能源物质和被称为生物炭的固体残留物[55]。热解产生的污泥生物炭还可以应用在农业和废水处理等方面，因此，热解法被认为是一种有效的污泥处置方法。1.2污泥生物炭简介生物炭是一种来源于生物质的碳质多孔产物，一般是生物质原料在厌氧或者缺氧状态下，经过热处理或者炭化得到的固态物质[61,62]。各种原料已被用于生产生物炭，包括农业残留物、木材废料、果皮和污泥等，不同原料制备的生物炭的组成成分和物理化学性质不尽相同[63]。污泥生物炭则是以污泥为原料制备的这种多孔含碳物质。目前常用的污泥生物炭制备方式是水热炭化和热解。顾名思义，水热炭化过程是以水为介质，在环境压力和相对较低的温度下（一般低于350℃）发生的，在反应之前也不需要除去原料的水分[55]。热解过程一般是先对污泥进行脱水、干燥、研磨处理，继在较高温度下使其充分地热解和转化，来产生固体残渣污泥生物炭[64]。两种制备方式均可以有效地杀灭污泥本身的病原微生物并降低污泥中重金属的生物有效性，达到污泥处置的三化目的。污泥生物炭的物理化学性质与其在环境领域的应用有很大的关联。组成污泥生物炭的非金属元素为C、O、N、H、P、Si等，金属元素为K、Ca、Mg、Fe等，其相对含量与污泥的来源和制备条件相关[65]。污泥生物炭的一般呈碱性，此外，具有一定的比表面积和孔隙度，在其表面还存在各种官能团（如-OH、C=C、-COOH、-CHO等）[66,67]。由于污泥生物炭的这些性质，其在环境修复领域的应用主要有：用于土壤改良或修复和作为吸附剂或者催化剂用于去除水中的污染物。柴[68]等人采用900℃热解污泥生物炭进行了Cu、Cd污染土壤播种高羊茅种子的盆栽实验，发现污泥生物炭的加入使土壤中的营养元素（N、P、Mg）含量增加，并使土壤中Cd的总量降低。Tan[69]等人采用市政二级处理污泥制备了900℃热解的生物炭用于Cd2+的吸附，发现其最大吸附能力可以达到42.80±2.38mg/g。Yu[70]等人采用一锅法合成了磁性氮掺杂污泥生物炭用于活化过硫酸盐去除四环素，结果表明磁性氮掺杂污泥生物炭作为催化剂的催化效果要高于传统的石墨碳和木质生物炭。1.3污泥生物炭的改性污泥生物炭去除水溶液中污染物的效率与其物理化学性质密不可分，如表面积、孔分布、表面官能团含量、阳离子交换容量和矿物质含量[71]。这些性质取决于原料污泥的性质和制备条件等因素[72,73]。为了提高污泥生物炭对水溶液中污染物的去除能力，不同的改性方法被作为预处理步骤对原料污泥或者后在处理阶段对污泥生物炭进行改性[74]。这些方法的目的主要是是：（1）增加污泥生物炭的比表面积，（2）改善其孔隙度，和（3）在其表面形成新的官能团或者特定功能。常用的污泥生物炭的改性方法可以分为物理活化、化学活化和表面负载改性。物理活化是在高温热解过程中采用水蒸气、二氧化碳或臭氧作为活化剂，来增加污泥生物炭的孔的数量和孔径，从而使污泥生物炭的比表面积增加。例如，Zhang[75]等人在700℃，停留时间1小时条件下，制备了经CO2活化的污泥生物炭，并用于去除水中的Pb2+。结果表明，CO2的活化使得污泥生物炭的比表面积增加了近两倍，且其对Pb2+的去除能力提高了3倍。化学活化方式是采用各种化学药剂（如KOH、H2SO4、HCl、H3PO4、NaOH或者ZnCl2等）对污泥原料进行浸渍，之后在中温（400~500℃）下热解得到改性污泥生物炭。这种处理方式可以通常可以创建连接的微孔隙网络，使其具有更大的比表面积和更丰富的含氧官能团，从而提升其污染物的能力。研究表明，以一定质量比的NaOH活化污泥生物炭可以在一定程度上增大污泥生物炭的比表面积和表面的官能团数量，通过这两者的协同作用，将其对四环素、2,4二氯苯酚、亚甲基蓝和Cd2+的去除能力分别提升4.1、1.9、2.5和1.8倍[76]。最近，通过污泥生物炭与各种负载物结合的表面负载改性方式被认为是一种有前景的污泥生物炭改性技术。其原理是通过包覆等手段将具有特定官能团或者具有某些特定功能的物质结合在污泥生物炭表面上，从而为污泥生物炭带来新的功能。Ifthikar[77]等人采用一锅法将羧甲基壳聚糖与污泥生物炭以质量比为3:1的比例进行结合，为污泥生物炭引入了-NH2等官能团，从而缩短了其对Pb2+和Hg2+的吸附平衡时间，并大大的提升了其对Pb2+和Hg2+的吸附量。柳[78]等人采用纳米零价铁（nZVI）负载600℃热解污泥生物炭去除水中的Cr6+，结果表明，nZVI中Fe量与污泥生物炭质量比为2:1进行负载时，复合材料表现出更强的对Cr6+的亲和力。与前人研究进行对比还发现，纯的污泥生物炭对Cr6+的去除主要是靠吸附过程，而经过nZVI改性的复合材料在Cr6+的去除中吸附和还原作用并存，且还原作用占主导地位，而吸附次之。对比三种不同的污泥生物炭改性方式，表面负载改性方式更加灵活、可控、功能多样、易于操作，且不会引入强腐蚀性的药剂，因此成为研究的热点。1.4污泥生物炭在重金属废水处理中的应用作为一种新型环保吸附剂，污泥生物炭因为其表面的官能团和较大的比表面积已经被广泛的应用于水中的重金属的去除。陈[79]等人采用污水处理厂回流泵房的剩余污泥制备了不同热解温度下的污泥生物炭用于去除水中的Cr6+，结果表明，最佳热解温度（500℃）制备的污泥生物炭的理论吸附量为7.93mg/g。Gao[80]等人在700、500和300℃下制备了水稻秸秆-污泥的共热解生物炭吸附水中的Cd2+，结果表明，其最大吸附量分别达127.46、105.39和87.63mg/g，远超过在相同温度下解热得到的单纯的污泥生物炭的最大吸附量。Ifthikar[77]等人将羧甲基壳聚糖与污泥生物炭结合用于去除水中的Pb2+和Hg2+，结果显示，复合吸附剂对Hg2+展示出了很强的吸附性能，吸附能力可以达到594.17mg/g。污泥生物炭对重金属的去除机理主要取决于污染物的本质和污泥生物炭的物理化学特性。根据前人的研究，其机制主要包括物理吸附、离子交换、静电吸引和表面络合。由于污泥生物炭具有多孔结构和较大的比表面积，因此，可以通过物理吸附来捕获重金属离子。污泥生物炭的表面一般是带负电的，因此可以通过静电吸引结合带有正电荷的重金属离子。此外，污泥生物炭的表面分布着不同的官能团，如-COOH和-OH，可以与重金属发生络合，且官能团的数量越多吸附量也会随之增加。研究还表明，污泥生物炭表面的Ca2+和Mg2+能够与水中的重金属离子进行从水相到固相的等量交换[81]。一般而言，污泥生物炭对重金属的高效去除是多种反应机理共同作用的结果。参考文献[1] CarolinCF,KumarPS,SaravananA,etal.Efficienttechniquesfortheremovaloftoxicheavymetalsfromaquaticenvironment:Areview[J].JournalofEnvironmentalChemicalEngineering,2017,5(3):2782-2799.[2] VillarinMC,MerelS.Paradigmshiftsandcurrentchallengesinwastewatermanagement[J].JournalofHazardousMaterials,2020,390.[3] CamiloZ-L,DanielaN-B,FreddyF,etal.Heavymetalwaterpollution:Afreshlookabouthazards,novelandconventionalremediationmethods%JEnvironmentalTechnology&Innovation[J].2021,22.[4] 梁玮瑜.硫化改性纳米零价铁对水中Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的吸附及机理研究[D].City:湖南大学,2019.[5] AliH,KhanE,IlahiI.EnvironmentalChemistryandEcotoxicologyofHazardousHeavyMetals:EnvironmentalPersistence,Toxicity,andBioaccumulation[J].JournalofChemistry,2019,2019.[6] MeenaRaA,SathishkumarP,AmeenF,etal.Heavymetalpollutioninimmobileandmobilecomponentsoflenticecosystems-areview[J].EnvironmentalScienceandPollutionResearch,2018,25(5):4134-4148.[7] Vazquez-NunezE,Molina-GuerreroCE,Pena-CastroJM,etal.UseofNanotechnologyfortheBioremediationofContaminants:AReview[J].Processes,2020,8(7).[8] ZhouQQ,YangN,LiYZ,etal.Totalconcentrationsandsourcesofheavymetalpollutioninglobalriverandlakewaterbodiesfrom1972to2017[J].GlobalEcologyandConservation,2020,22.[9] RoychowdhuryT,TokunagaH,AndoM.Surveyofarsenicandotherheavymetalsinfoodcompositesanddrinkingwaterandestimationofdietaryintakebythevillagersfromanarsenic-affectedareaofWestBengal,India[J].ScienceofTheTotalEnvironment,2003,308(1-3):15-35.[10] Fernandez-Luquentilde,Ofabian.Heavymetalpollutionindrinkingwater-aglobalriskforhumanhealth:Areview[J].AfricanJournalofEnvironmentalScienceandTechnology,2013,7(7).[11] BolisettyS,PeydayeshM,MezzengaR.Sustainabletechnologiesforwaterpurificationfromheavymetals:reviewandanalysis[J].ChemicalSocietyReviews,2019,48(2):463-487.[12] 张宝强.水体重金属污染现状及修复治理方法研究[J].化工管理,2020,(17):63-64.[13] XuL,WangTY,WangJH,etal.Occurrence,speciationandtransportationofheavymetalsin9coastalriversfromwatershedofLaizhouBay,China[J].Chemosphere,2017,173:61-68.[14] 于天宇,胡思雨.水体重金属污染现状及治理方法概述[J].建筑与预算,2019,(06):75-78.[15] PratushA,KumarA,HuZ.Adverseeffectofheavymetals(As,Pb,Hg,andCr)onhealthandtheirbioremediationstrategies:areview[J].InternationalMicrobiology,2018,21(3):97-106.[16] SuppanG,Briones-MaciasM,Pazmino-AriasE,etal.FabricationandCharacterizationofMetal-FreeCompositeElectrodesBasedonFew-Layer-GrapheneNanoplateletsforOxygenReductionReactionApplications[J].PhysicaStatusSolidiB-BasicSolidStatePhysics.[17] KumarA,Cabral-PintoM,KumarM,e