海洋科普|生物炭/层状双金属氢氧化物复合材料可持续处理废水的研究进展

生物炭简单丰富的来源，其丰富的孔隙结构以及独特的表面化学性质的特性，使其成为水处理应用中理想的可持续吸附剂。化学活化或制造复合材料修饰生物炭表面，可以进一步提高其吸附能力。层状双金属氢氧化物(LDHs)在水处理等各个领域的应用也得到了广泛关注。
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LDHs与生物炭的协同效应在所得生物炭/LDH 复合材料的比表面积、表面官能团、结构异质性、稳定性等吸附特性方面表现出了显著的改善。本文着重评价了生物炭/LDHs复合材料在水处理中应用的最新进展，重点研究了各种污染物的吸附和催化降解。通过阐述吸附机理和再生能力，详细描述了生物炭/LDH 复合材料对各种有害污染物，即重金属、染料、阴离子和药物的吸附。最后，为未来的研究提出了展望，以确保生物炭/LDH 复合材料在水净化中的有效应用。
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概述：生物炭/LDH 复合材料在水净化中的广泛应用
（1）生物炭/LDHs复合材料去除阴离子
' M# f$ L/ i; V7 }) U: }% d生物炭/LDHs复合材料被广泛应用于去除水和废水中的磷酸盐和硝酸盐。如表1所示磷酸盐是使用生物炭/LDHs复合材料去除的研究最多的污染物。阴离子的吸附机制取决于阴离子的性质和生物炭/LDHs复合材料的物理化学特性。阴离子吸附最常见的机制是静电吸引、层间阴离子交换、表面络合、配体交换。

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（2）生物炭/LDH 复合材料去除重金属的研究
各种生物炭/LDHs复合材料也被广泛报道可以有效去除重金属。与其他改性生物炭相比，高孔隙度和大量官能团和金属阳离子的存在使得过生物炭/LDHs更好地消除有毒重金属。Pb(II)、Cu(II)、Cr(VI)和 Cd(II)的最大吸附能力分别为 682.2、74.07、330.8 和35.59 mg/g。生物炭/LDH 复合材料去除重金属的机制包括各种过程，如静电吸引、离子交换、表面络合、同构取代和化学还原，这取决于目标重金属离子（阳离子或阴离子）的性质。对于二价阳离子，如Pb(II)、Cd(II)或Cu(II)，主要的去除机制包括与表面官能团的复合，以及离子交换、沉淀和同构取代。
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（3）生物炭/LDH 复合材料去除抗生素的研究
1 A/ p. x9 R: h+ M5 G: q生物炭/LDH 复合材料也被用于从水中去除抗生素或其他药物，与原始生物炭相比，它们表现出更好的修复性能。生物炭/LDHs复合材料对四环素(TC)、双氯芬酸钠(DCF)、磺胺甲恶唑(SMX)的吸附能力分别为2114.43、1118.2、和26.21 mg/g。生物炭/LDHs复合材料对药物的去除亲和力增强是因为涉及了包括表面吸附、pi-pi相互作用和疏水相互作用、离子交换和氢键等多种机制。生物炭/MgAl 表面存在羟基（-OH）和烷氧基（-CO），与 TC 氨基（-氨基）和羟基（-OH）形成氢键。此外，pi-pi相互作用和生物炭/MgAl 与苯环的相互作用可以促进 TC 的吸附，TC吸附后，生物炭/MgAlFTIR 谱的 C 强度达到峰值。
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（4）生物炭/LDH 复合材料在染料去除中的应用
; `2 o4 J% C% U/ I2 b) c生物炭/LDH 复合材料具有良好的吸附性能，并具有良好的可回收性，如表 4 所示。吸附量最高的一种生物炭/LDH 上的水晶紫(CV)、二甲基蓝(MB)和钼、吖啶橙(AO)和孔雀石绿(MG)的量分别为354.05、406.67、412.08、108.6、470.96 mg/g。据报道，染料吸附到生物炭/LDH 复合材料上的机制与pi-pi相互作用、氢键、静电相互作用、阴离子交换、后充填和表面络合等多过程有关。
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4 f& L1 b* }5 {9 D  ~# @- A9 g（5）生物炭/LDH 复合材料在实际废水处理中的应用
生物炭/LDH 复合材料在真实水系统中去除各种污染物的去除性能很少被研究。然而，根据一些研究，可以得出结论，尽管在真实的水样中存在有机化合物和其他竞争离子，但生物炭/LDH 复合材料显示出可接受的重金属吸附作用。例如，生物炭/MgFe 复合物在24 小时内在实际废水中去除 97%的铅(II)，略低于超纯合成水中去除 99%的铅(II)。在实际污染的水环境中，生物炭磁性 LDO/碳（Mag-LDO(C) 和铜(II)比实验室的合成水样和水溶液具有更高的吸附亲和力。真实水系统中 Pb(II)和铜(II)与有机污染物的复合导致了生物炭/LDO 复合材料的高吸附。
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（6）挑战、机会和前景
生物炭/LDH 复合材料已成为水净化的极好的可持续材料，但要充分利用这些材料的巨大特性进行实际应用，需要解决许多挑战。
1. 生物炭/LDH 复合物在进行商业应用之前，必须仔细评估其潜在的环境毒性影响。
2. 需要探讨生物炭/LDH 复合材料在二元尺度上具有成本效益、高效的吸附剂的可行性。
9 ?2 `3 {; x1 l- @- ~3. 当前，生物炭/LDH 复合材料的常用 LDHs 是MgAl 和 MgFe 或NiAl。而研究CoFe、CoAl、NoFe、ZnAl、ZnFe、CuAl、CuAl 的有限。
4. 在生物炭/LDH 复合材料去除其他污染物，如酚、杀虫剂和核污染物的潜力等研究仍然较少。
! v) H! P3 ?6 {& s3 g5. 进一步探讨生物炭/LDH 复合材料在实际废水中的应用，以评估其在实际应用中的潜力。

7 ?7 d# r9 x& U+ a2 K: e" \3 q结论与展望
生物炭负载LDH 已经成为一种在合成低成本、可回收吸附材料的环保方法。生物炭/LDH 复合材料在从水中吸附重金属、染料、阴离子和药物方面表现出了巨大的潜力。虽然当前大规模生物炭/LDH 复合物的合成及其在实际废水系统中的应用较为少见。但是目前的研究进展表明，这种独特的材料在水净化方面有着光明的前景。

<hr>投稿者：高峰 博士研究生
; B1 _, w' M( I6 \* e5 M! J3 ^审核导师：王宁 教授 |王慧 助理研究员