生物炭於水質淨化及相關應用之彙整
前言
生物炭作為碳移除主流技術方案之一，目前大部分的應用途徑多與土壤相關，例如土壤改良劑以及搭配肥料使用達到緩釋效果。但以長期碳匯目的來說依然有許多非土壤應用的可能性，例如搭配混凝土以及其他建材生產，只要是生命週期最終階段能夠穩定長期固存，都具有碳移除潛力。
而生物炭本身多孔隙的特性其實在淨化水質、過濾雜質方面本身就有相當大的適用性。十一月有篇新研究，針對所有生物炭於水質處理方面的應用進行完整回顧。我將重點整理翻譯出來，幾乎涵蓋了生物炭的基本介紹以及所有常見應用方案，提供給有興趣的讀者參考。
研究背景
水質處理的重要性
全球人口的持續增長與工業活動的加劇，導致水資源需求不斷上升，同時也使廢水排放量顯著增加，對水環境造成嚴重壓力。在廢水中，常見的污染物包括重金屬（如 Pb 和 Hg）、有機染料、農藥、藥物殘留以及多環芳香烴（PAHs）等，這些污染物不僅威脅生態系統，也對人類健康構成極大風險。隨著水資源短缺問題日益加劇，尋找高效、永續的水質處理技術成為當前的重要議題。
傳統的水質處理技術包括化學氧化、逆滲透、吸附技術及薄膜分離等，其中吸附技術以其操作簡單、成本相對較低且適應性強，成為去除多種污染物的有效方法。然而，現有吸附材料如活性炭的成本和再生過程能耗較高，限制了其廣泛應用。因此，開發具有成本效益且環境友善的新型吸附材料迫在眉睫。
生物炭的特性與應用潛力
生物炭是由生物質（如農業廢棄物、木材殘渣等）經熱裂解或其他熱化學處理方法，在缺氧或低氧環境下製備而成的一種多孔碳材料。其具有以下幾項關鍵特性，使其在水質處理領域展現出巨大的應用潛力：
- 高比表面積與多孔結構：生物炭的微觀結構提供大量吸附位點，可有效去除水中有機污染物和重金屬。
- 豐富的表面功能基團：如羧基（-COOH）、羥基（-OH）和碳基（C=O），這些基團可與污染物發生化學或物理作用，提升吸附能力。
- 資源可再生性：生物炭的原料來源廣泛，多數為廢棄物，製備過程能有效利用廢棄資源，符合循環經濟理念。
- 可定制性：通過不同的熱裂解工藝（如慢速熱解或快速熱解）及後續處理，可調控其表面特性以滿足特定應用需求。
生物炭於水質處理的應用可能性
生物炭在水質處理中的應用主要集中於吸附去除有機污染物（如農藥、藥物殘留）與無機污染物（如重金屬離子）。
- 去除有機污染物：生物炭可通過表面吸附和化學鍵合作用，有效去除廢水中的抗生素、染料及農藥殘留。
- 去除重金屬：生物炭與重金屬形成穩定的表面復合物或沉澱物，可降低其在水中的生物可及性。
- 可再生使用：部分生物炭具備良好的再生性能，可通過簡單的清洗或熱處理恢復吸附性能，降低使用成本。
生物炭之製備與特性
生物炭的製備方法
生物炭的製備主要通過熱化學轉化技術，將生物質在缺氧環境下進行熱裂解，轉化為多孔碳材料。常見的製備技術包括以下幾種：
- 熱解 (Pyrolysis)
熱解是最廣泛使用的生物炭製備方法，其特徵為在中高溫（350-900°C）及缺氧環境下分解生物質。熱解可依據加熱速率與停留時間分為以下三類：
• 慢速熱解 (Slow Pyrolysis)：加熱速率較低，停留時間較長，有利於提高生物炭的產率（約30%-35%）。該方法適合用於生產穩定的固體產品，常用於處理農業廢棄物。
• 快速熱解 (Fast Pyrolysis)：加熱速率快，停留時間短，主要生成液體產物（如生物油），生物炭產率相對較低（約10%-20%）。
• 閃速熱解 (Flash Pyrolysis)：停留時間更短（小於2秒），常用於生產氣態燃料（如合成氣）。
- 水熱碳化 (Hydrothermal Carbonization, HTC)
水熱碳化是在低溫（180-250°C）和高壓（2-10 MPa）條件下，將含水量高的生物質（如藻類）與水混合進行反應，生成生物炭。HTC工藝特點如下：
- 可處理高濕度原料而無需預乾燥，能量需求相對較低。
- 生物炭產品多具有較高的含氧功能基團和穩定性，適合用於吸附水中污染物。
- 氣化 (Gasification)
氣化是在高溫（700-1500°C）和一定氧氣或蒸氣條件下，將生物質轉化為合成氣（CO、H2）及少量固體殘渣（生物炭）。氣化法產生的生物炭產率低，但其孔隙結構和吸附性能優越。
- 微波輔助熱解 (Microwave-Assisted Pyrolysis)
微波輔助熱解通過微波加熱實現生物質快速分解，其優勢在於加熱均勻且能有效提升反應速率，所產生的生物炭具有高比表面積與良好的孔隙結構。
生物炭的特性
生物炭的特性直接受製備方法、原料類型及操作參數（如溫度、時間、氣氛等）影響，其主要物理與化學特性如下：
- 物理特性
- 比表面積與孔隙結構：生物炭的比表面積（SSA）隨熱解溫度升高而增加，高溫熱解（600-900°C）通常能產生具有較大微孔和介孔體積的生物炭，這有助於提升吸附能力。
- 顆粒尺寸與密度：原料顆粒大小及預處理方式會影響熱解過程的熱質傳輸速率，進而改變最終產品的孔隙分布與密度。
- 化學特性
- 表面功能基團：生物炭表面通常含有羧基（-COOH）、羥基（-OH）及碳基（C=O）等功能基團，能與水中污染物形成化學鍵合，提升吸附效率。
- 陽離子交換容量 (Cation Exchange Capacity, CEC)：高CEC使生物炭在去除重金屬等正電荷污染物方面表現出色。
- 酸鹼性：生物炭的 pH 值與其製備原料和熱解溫度相關，通常高溫製備的生物炭呈鹼性，有助於吸附酸性污染物。
- 熱穩定性與碳含量
高溫製備的生物炭通常具有更高的碳含量與芳香性結構，其熱穩定性更強，可在水處理過程中長時間維持性能。
- 特性變更與功能化
為進一步提升生物炭的性能，可通過以下方式進行特性變更：
- 表面活化：利用酸、鹼或蒸氣處理以增加比表面積與孔隙結構。
- 磁化處理：在生物炭表面引入磁性顆粒，使其更易於從水體中分離回收。
- 化學功能化：引入特定功能基團以針對性吸附特定污染物（如磷酸根或有機染料）。
污染物去除效率因子
生物炭在水質處理中展現了顯著的污染物去除能力，但其效能受到多種因素的影響，包括操作參數、污染物的性質，以及生物炭本身的物理與化學特性。
- 生物炭劑量
生物炭劑量與去除效率密切相關。增加生物炭劑量可提供更多活性位點，加速污染物的吸附。然而，當劑量超過一定閾值後，吸附效率不再提高，甚至可能因活性位點過剩而降低吸附容量。這是因為：
- 當劑量過多時，污染物分子不足以填滿所有活性位點，導致吸附效率下降。
- 高劑量下，吸附動態達到平衡的速度會加快，但總吸附量可能呈現飽和現象。
- 溶液初始 pH 值
溶液的酸鹼性顯著影響污染物的去除效率，因為 pH 值會改變：
- 生物炭表面功能基團的質子化或去質子化狀態。例如，在低於零電荷點（point of zero charges, PZC）的 pH 值下，生物炭表面帶正電荷，促進陰離子污染物的吸附；相反，在高於 PZC 的 pH 值下，生物炭表面帶負電荷，有利於陽離子污染物的吸附。
- 污染物分子的電離狀態。例如，有機污染物在不同 pH 下可能呈現不同的電荷，進而影響吸附行為。
- 污染物初始濃度
污染物的初始濃度對吸附動力學和去除效率有重要影響。一般而言：
- 在低濃度下，生物炭的活性位點充足，吸附效率較高。
- 當濃度升高時，活性位點逐漸被占用，吸附速率減慢，去除效率降低。此外，高濃度下可能出現吸附位點飽和現象，導致吸附容量下降。
- 溶液中共存陰離子
水體中常見的陰離子（如 NO₃⁻、Cl⁻、SO₄²⁻ 和 PO₄³⁻）會與目標污染物競爭生物炭的活性位點，從而降低吸附效率。例如：
- PO₄³⁻ 的高濃度會顯著抑制特定有機污染物的去除。
- 某些情況下，離子強度的增加（如 NaCl 濃度升高）可能通過“鹽析效應”促進疏水性污染物的吸附，但也可能因雙電層壓縮效應降低生物炭的吸附能力。
- 接觸時間
吸附過程隨時間的延長而增強，但在達到吸附平衡後，吸附速率會逐漸降低。吸附速率的變化可分為兩個階段：
- 初始快速吸附：由於生物炭表面有大量未占用的活性位點，污染物迅速附著。
- 後期漸緩吸附：當大部分活性位點被占用後，吸附速率明顯降低，直至達到飽和平衡。
- 溫度
溫度的變化會改變吸附過程的熱力學特性：
- 吸附反應通常為吸熱過程，溫度升高會提高污染物分子的動能和吸附速率，促進吸附效率。
- 然而，對於部分反應（如放熱吸附），溫度升高可能降低吸附能力。此外，溫度上升會減少污染物的溶解度，進一步改變吸附行為。
- 生物炭的特性改變處理
特性改變生物炭（如磁化或化學功能化）可顯著提升其吸附性能，主要體現在：
- 表面功能基團的數量和類型增加（如羧基或氨基），強化了與污染物的化學鍵合作用。
- 孔隙結構的優化，提升比表面積與吸附容量。
- 表面電荷的改變，有助於針對特定污染物的選擇性吸附。
- 污染物性質
污染物的化學結構、極性及分子大小會影響吸附行為。例如：
- 疏水性污染物更易受生物炭的物理吸附作用影響，而極性或電荷分子則依賴表面化學作用。
- 某些有機污染物（如染料）會與生物炭形成氫鍵或 π-π 相互作用，增強吸附效果。
生物炭的應用
生物炭因其獨特的物理、化學特性，應用範圍涵蓋環境修復、水質處理及農業領域。
水質處理中的應用
生物炭在水質處理中表現出色，其應用重點在於去除有機污染物、重金屬及其他水中污染物：
- 有機污染物去除
生物炭可有效吸附水中各類有機污染物，包括：
- 抗生素：如 sulfamethoxazole 和 fluoroquinolones，主要通過氫鍵、π-π 相互作用及陽離子鍵結進行吸附。
- 農藥與染料：生物炭的高比表面積與豐富的表面功能基團能有效吸附有機染料（如結晶紫）及農藥（如 atrazine 和 simazine）。
- 機制：物理吸附（如微孔捕捉）與化學吸附（如共價鍵形成）共同作用。
- 重金屬去除
生物炭對重金屬離子的吸附能力顯著，包括 Pb、Hg、Cu 等，吸附機制包括：
- 表面沉澱：重金屬與生物炭表面無機成分（如 CO₃²⁻ 或 PO₄³⁻）形成沉澱物。
- 離子交換與配位鍵結：生物炭表面功能基團與重金屬離子形成穩定配位結構。
- 其他污染物去除
- 營養鹽（如氮和磷）：生物炭可吸附含氮、磷的化合物，用於減少水體富營養化。
- 機制：電荷作用和無機鹽沉澱作用是主要的去除機制。
土壤修復與農業中的應用
生物炭因其多孔結構和高穩定性，被廣泛應用於土壤修復與農業增效：
- 提升土壤肥力
- 機制：生物炭可改善土壤結構、提高保水性和養分持留能力，並促進微生物活性。
- 效果：提高作物產量，減少肥料流失，增加土壤有機碳含量。
- 重金屬污染土壤修復
- 機制：生物炭通過吸附和固定作用減少重金屬的生物可利用性。
- 應用範例：在含 Pb、Cd 的污染土壤中，生物炭能顯著降低金屬的流動性。
- 作為緩釋肥料載體
- 生物炭可吸附氮、磷等養分，作為緩釋肥料釋放，減少肥料使用量並降低環境影響。
空氣污染控制
生物炭在吸附氣態污染物方面同樣具有潛力：
- 應用範圍：吸附揮發性有機化合物（VOCs）和異味氣體（如 NH₃ 和 H₂S）。
- 機制：生物炭的多孔結構與表面官能團增強了氣體吸附能力。
能源應用
生物炭作為能源載體和能源產品在可再生能源領域具有潛力：
- 固體燃料
- 生物炭因其高碳含量與高熱值，可作為清潔固體燃料，替代傳統化石燃料。
- 儲能材料
- 生物炭可用於製備鋰離子電池和超級電容器的電極材料，其高導電性與穩定性提升了儲能效能。
催化劑與化工應用
生物炭作為催化劑或催化劑載體，應用於多種化學反應中：
- 催化降解污染物
- 生物炭與金屬氧化物或其他活性物質複合後，用於催化氧化水中污染物（如 atrazine）。
- 化工製程
- 生物炭可作為生物油的裂解催化劑或其他化工反應中的催化劑。
碳封存與氣候變遷應對
生物炭在碳封存與減碳方面的應用廣泛：
- 碳封存：其穩定的芳香結構使其可長期儲存於土壤中，減少大氣中的二氧化碳含量。
- 減少溫室氣體排放：應用於農業中，生物炭可降低土壤中甲烷與氧化亞氮的排放。
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