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隨著中國工業的不斷發展,工業廢水的排放量逐漸增加,其所含染料、重金屬離子、氟化物等傳統污染物與抗生素、微塑料、酚類化合物等新興污染物對生態環境和人類健康構成嚴重的威脅。

生物降解、電化學分離、混凝沉淀和膜分離等多種方法已用于工業廢水的處理,但去除率低、操作復雜、維護成本高。

與上述方法相比,吸附法因操作簡便、吸附性能優越且對環境友好,成為工業廢水處理的重要方法之一。生物炭是一種以玉米、石榴皮、甘蔗渣和秸稈等生物質及其廢料為碳源,經高溫熱解制備的吸附材料,具有來源廣、易再生的優勢。然而,生物炭的比表面積小、孔隙結構不發達,表面官能團單一,難以滿足對極性污染物或大分子污染物的高效吸附需求。同時,吸附過程易受pH、離子強度、污染物濃度等環境因素的影響,對成分復雜的混合污染物缺乏特異性吸附能力。因此,針對生物炭固有缺陷的活化改性策略已成為提升其工業廢水處理效能的關鍵研究方向。

生物炭的等離子體活化改性策略

直接炭化所得生物炭的比表面積較低、孔隙結構不發達。為獲得具有大比表面積、發達孔隙結構和含有豐富官能團的生物炭,可以采用等離子體活化、摻雜和功能化改性等策略對生物炭進行活化改性。

等離子體改性可在生物炭表面構建有效官能團,實現對污染物的高效吸附。等離子體氧化處理是一種常用的方式,通過在大氣壓或真空環境中激發氧氣或空氣生成高活性氧自由基與生物炭表面碳原子發生反應,從而引入—COOH、—OH等酸性官能團。等離子體改性會造成生物炭的局部坍塌,導致比表面積略有降低,但由于化學吸附占主導地位,因此,對污染物的吸附能力得到顯著提升。

等離子體再生生物炭機理

等離子體主要由正負離子、激發態的原子、電子和強氧化性自由基等組成,作用于有機物上會使C—C、C=C和C≡C以及其他不飽和鍵發生斷鍵,使大分子變成小分子,并逐步被氧化分解成H2O和CO2。富集在生物炭表面的有機物質被氧化分解后,生物炭表面的吸附點位恢復,活性炭得以再生。生物炭在經等離子體再生后,其表面含氧官能團的數量會有所增加,可以在一定程度上提高它的吸附性能。

使用低溫等離子體活化改性技術對生物炭進行改性是一種有效且環保的方法,不僅能夠引入酸性基團提高對生物炭對污染物的吸附能力,同時還可以用于生物炭再生和循環利用。