近年來，我國的工業(yè)水平和社會(huì)經(jīng)濟(jì)都在高速發(fā)展，但是環(huán)境保護(hù)、污染治理的工作卻未能及時(shí)跟上，許多生活和工業(yè)廢水未經(jīng)處理就直接流入附近的水體中，對(duì)水環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，特別是水中有機(jī)污染物含量逐漸升高，成分也越來越復(fù)雜。
目前，我國水體有機(jī)微污染（如多環(huán)芳烴〈PAHs〉、多氯聯(lián)苯〈PCBs〉、芳香硝基化合物）日趨嚴(yán)重，對(duì)飲用水安全和人群健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。更值得關(guān)注的是，當(dāng)前的水處理技術(shù)尚難以有效去除此類有機(jī)污染物。因此，尋找經(jīng)濟(jì)高效、適合于飲用水處理的新型吸附劑已成為環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一。
在國家自然科學(xué)基金等的資助下，浙江大學(xué)環(huán)境科學(xué)系教授陳寶梁等以松針作為生物質(zhì)代表，通過控制不同炭化溫度（100～700℃），制備了一系列生物碳質(zhì)吸附劑，并對(duì)制備的生物碳質(zhì)吸附劑的結(jié)構(gòu)和表面特征進(jìn)行了深入研究。他們以4-硝基甲苯為目標(biāo)，探討了吸附劑在水中對(duì)有機(jī)污染物的吸附性能、機(jī)理及與其結(jié)構(gòu)特征之間的定量關(guān)系，為制備經(jīng)濟(jì)高效吸附劑以及預(yù)測其吸附性能與機(jī)制提供了理論依據(jù)。
這一成果發(fā)表在《中國科學(xué)B輯：化學(xué)》2008年第6期上。
難解的水體有機(jī)污染問題
陳寶梁指出，我國本身就是一個(gè)水資源短缺的國家，而大量廢水特別是焦化廢水、精細(xì)化工和染料等難降解有機(jī)廢水未經(jīng)處理直接排放或沒有達(dá)標(biāo)排放，又導(dǎo)致了水質(zhì)性缺水。
例如，我國醫(yī)藥制造業(yè)和化學(xué)工業(yè)廢水年發(fā)生量分別為3.16億噸和38.35億噸，而達(dá)標(biāo)排放率僅為57%～63%；城市生活污水排放量約為195億噸/年，處理率不到20%。由此造成水污染尤其是持久性有機(jī)污染物（POPs）日益嚴(yán)重，特別是其中痕量的有機(jī)污染物常具高生物積累性、“三致”（致突變性、致癌性、致畸性）效應(yīng)，對(duì)飲用水安全和人群健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
目前對(duì)有機(jī)污染廢水多采用單一破壞處理的方法，成本高、浪費(fèi)資源。而以資源化技術(shù)為核心的集成處理工藝，由于符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，開始備受推崇。其中，吸附法是有機(jī)污染物治理與資源化的有效方法之一。
陳寶梁評(píng)價(jià)，有機(jī)污染物的吸附作用是非常典型的環(huán)境化學(xué)行為，決定其在土壤和水環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化、歸趨、生物生態(tài)效應(yīng)及修復(fù)或緩解途徑和機(jī)制，因此，研究其吸附機(jī)理一直是環(huán)境科學(xué)和土壤化學(xué)的熱點(diǎn)方向之一。
據(jù)陳寶梁介紹，尋找經(jīng)濟(jì)高效、適合于飲用水處理的新型吸附劑已成為環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一，其中涉及活性炭、有機(jī)黏土、三油酸甘油酯-活性炭復(fù)合吸附劑等。目前常用的活性炭對(duì)有機(jī)污染物的吸附機(jī)理為表面吸附，吸附容量大小取決于比表面積大小，容易飽和，存在競爭吸附，故在使用過程中需要不斷再生；因此，對(duì)親脂性持久性有機(jī)污染物的吸附效果不理想。
“當(dāng)前，學(xué)界對(duì)環(huán)境友好的生物碳質(zhì)吸附劑的研究幾乎為空白。”他說。
大有可為的生物碳質(zhì)吸附劑
陳寶梁指出，環(huán)境中普遍存在的生物碳質(zhì)如木炭、焦炭、煙炱等，具有超強(qiáng)的吸附性能，而我國這方面的資源非常豐富。
據(jù)陳寶梁提供的數(shù)據(jù)，我國每年僅秸稈就產(chǎn)生6億多噸，占世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%，但其中80%左右被廢棄或燃燒，浪費(fèi)了大量資源且嚴(yán)重污染環(huán)境。
但是，如果能夠使這些生物質(zhì)實(shí)現(xiàn)“二次資源化”，特別是利用廢棄生物質(zhì)制備高性能的生物質(zhì)吸附材料，用于去除廢水或飲用水中難降解有毒有機(jī)污染物，就能夠真正實(shí)現(xiàn)以廢治廢，對(duì)構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要意義。
陳寶梁認(rèn)為，生物碳質(zhì)吸附劑不僅原料來源豐富、成本低廉，而且制備工藝簡單、產(chǎn)量高、結(jié)構(gòu)功能可調(diào)。它還具有多功能的吸附性能，可同時(shí)去除廢水中多種有機(jī)污染物或重金屬—有機(jī)物復(fù)合污染物，回收再生利用也相對(duì)簡單。
陳寶梁同時(shí)指出，生物碳質(zhì)吸附劑的吸附機(jī)理，特別是其與生物碳質(zhì)的結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系尚待深入研究，這將為模擬“環(huán)境碳黑”設(shè)計(jì)和制備高性能環(huán)境友好的生物碳質(zhì)吸附材料提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。
從“軟碳”到“硬碳”
陳寶梁研究組選用了凋落松針作為生物質(zhì)代表開展相關(guān)研究。
他解釋說，森林火災(zāi)常以針葉樹木為代價(jià)，松針作為森林中典型落葉之一，其干燥后極易燃燒，產(chǎn)生的生物碳質(zhì)則大量積累于土壤中，成為土壤炭黑的重要來源。
他們采用限氧升溫炭化法制備出一系列的生物碳質(zhì)吸附劑。具體做法是，通過控制不同炭化溫度，使得制備的生物碳質(zhì)組分發(fā)生改變。隨著炭化溫度升高，吸附劑的碳含量從50.34%（100℃）上升到84.61%（700℃）；相應(yīng)的氫和氧的含量則分別從6.09%和42.87%下降為1.25%和13.04%。
研究發(fā)現(xiàn)，炭化溫度為100℃時(shí)制備的樣品呈高極性和脂肪性，隨炭化溫度的升高，生物碳質(zhì)吸附劑的芳香性急劇增加，而其極性則急劇降低。而極性的降低和芳香性的增大，意味著生物碳質(zhì)逐漸從“軟碳質(zhì)”過渡到“硬碳質(zhì)”。同時(shí)，樣品的表面積也發(fā)生著規(guī)律性的變化。可見，溫度可以調(diào)控生物碳質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，這將對(duì)其吸附特征和機(jī)理產(chǎn)生重要影響。
以4-硝基甲苯為吸附目標(biāo)，陳寶梁等對(duì)不同的吸附劑性能進(jìn)行了比較研究，發(fā)現(xiàn)低溫制得的生物碳質(zhì)吸附劑（100℃）的作用機(jī)制為分配作用，中溫制得的生物碳質(zhì)吸附劑（300℃）的作用機(jī)制為分配作用和表面吸附共同作用，高溫制得的生物碳質(zhì)吸附劑（700℃）的作用機(jī)制為表面吸附作用。其中，表面吸附作用大小隨炭化溫度升高而增大；而分配作用大小先隨溫度升高而增大，并于300℃時(shí)達(dá)到最大，接著則降低。
另外，他們還對(duì)萘、菲、硝基苯、間二硝基苯等有機(jī)污染物的吸附進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，都表現(xiàn)出非常好的效果，對(duì)于去除具有強(qiáng)“三致”效應(yīng)和高親脂肪性的多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯和有機(jī)氯農(nóng)藥等去除效果甚至更好。
陳寶梁認(rèn)為，這個(gè)研究結(jié)果為針對(duì)不同的有機(jī)污染物以及生物質(zhì)原料碳質(zhì)的不同構(gòu)成和性質(zhì)，為“裁剪”生物質(zhì)制備合適的生物碳質(zhì)吸附劑奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。
不過，他也表示，目前的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，只是申請(qǐng)了多項(xiàng)相關(guān)發(fā)明專利。他非常希望在不久的將來，相關(guān)的研究成果能夠得到實(shí)際推廣應(yīng)用，為水體有機(jī)污染治理貢獻(xiàn)一份力量。（來源：科學(xué)時(shí)報(bào) 陳晨）
（《中國科學(xué)B輯：化學(xué)》，2008 38 (6): 530-537，陳寶梁, 周丹丹, 朱利中, 沈?qū)W優(yōu)）
發(fā)布日期：2018-02-20 瀏覽次數(shù)：137
