染料废水主要来源于染料及染料中间体生产行业 , 具有成分复杂、色度高、排放量大、毒性大、可生化性差的特点 , 一直是废水处理中的难题。作为一种废水吸附剂，生物炭被视为活性炭的替代品，具有成本低、性价比高、生产过程能耗低等优点。生物炭可用于去除各种污染物，包括无机阴离子（NO3?，PO43-），金属阳离子（Pb（II），As（III）和Cd（II）），有机染料（结晶紫，阳离子红X-GRL）等。然而，生物炭吸附污染物的能力取决于其物理、化学性质，不同的原料和裂解条件下制备的生物炭性质有很大的差别。
研究表明，利用物理、化学方法将生物炭与其他材料组合制备成具有新性能、新结构的材料，其综合性能优于原组成材料，可满足各种不同的要求。然而，生物炭复合材料的大规模生产和现实应用仍面临较大的挑战，这主要与复杂的合成方法和危险试剂的使用有关。前期研究中，提出了一种尺寸可控的双金属铁铜氧化物吸附剂的绿色合成方法，且该吸附剂对孔雀石绿染料表现出较好的去除性能，研究表明植物提取物中的生物活性分子在合成过程中可起还原剂的作用。因此基于植物提取物的“绿色合成”材料具有较大应用潜力，可能比单一植物生物炭在染料废水中的处理效果更好。
图1 生物炭/氧化铁复合材料的合成过程及吸附机理
图2. XRD和FT-IR
图3 生物炭和生物炭/铁氧化物复合材料在不同时间内对亚甲基蓝的吸附性能（20 mL MB （50mg/L）， pH （-6.1）， T = 293 K, 0.01 g 吸附剂）
本研究在室温超声条件下，向香蕉皮提取物中添加香蕉皮生物炭和FeSO4合成生物炭/氧化铁复合材料。同时对合成的材料进行表征，并对复合材料吸附亚甲基蓝行为进行了研究，还对材料的重复利用性能进行了评估。图1描述了生物炭/氧化铁复合材料的合成过程及可能吸附机理。实验结果表明，生物炭/氧化铁复合材料对亚甲基蓝的吸附能力要强于单一生物炭材料（图3）。Langmuir吸附等温线和准二级动力学模型准确地描述生物炭/氧化铁复合材料对MB染料的吸附过程（图4）。绿色合成的生物炭/氧化铁复合材料对亚甲基蓝的吸附能力显著提高（C0= 500 mg/L, pH = 6.1, T =313 K , Langmuir 模型计算的最大吸附容量为862 mg/g），且溶液pH 值在2.05-9.21范围时该绿色合成材料都表现出较好的吸附性能。生物炭/氧化铁复合材料在连续的吸附脱附循环5次仍表现出良好的吸附性能（图4）。由此可知，该绿色合成方法是提高生物炭性能的有效途径，在环境修复方面具有潜在的实际应用价值。
.jpg)
图4 Langmuir吸附等温线和准二级动力学模型对生物炭/氧化铁复合材料对亚甲基蓝染料的吸附过程的描述
以上研究成果来自清华大学环境学院侯德义副教授课题组，近期以题为“A green biochar/iron oxide composite for methylene blue removal”发表在环境领域权威期刊Journal of Hazardous Materials （IF=7.65）。张平博士为论文的第一作者，侯德义副教授为论文的通讯作者，研究参与单位还包括韩国高丽大学，香港理工大学，北京市环境保护科学研究院等。
图5 生物炭/氧化铁复合材料对MB染料的吸附脱附循环
文章信息
英文标题：
A green biochar/iron oxide composite for methylene blue removal
英文摘要：
Adsorbents that effectively remove dye substances from industrial effluents are needed for the protection of human health and the natural environment. However, adsorbent manufacture is associated with secondary environmental impacts. In this study, a green biochar/iron oxide composite was produced using a facile approach involving banana peel extract and FeSO4. The modified biochar's capacity to adsorb methylene blue （MB） was considerably enhanced （Langmuir Qmax of 862 mg/g for MB when C0 = 500 mg/L, pH = 6.1, T =313 K） compared to the unmodified banana peel biochar, and exhibited good performance for a wide range of pH values （pH 2.05–9.21）。 The Langmuir isotherm model and pseudo second-order kinetic model accurately describe the adsorption process. The material properties and corresponding adsorption mechanisms were investigated by various experimental techniques. Enhanced MB adsorption by the biochar/iron oxide composite is attributed to increased electronic attraction to MB molecules, as evidenced by XPS analysis. High adsorption capacity was retained after 5 regeneration cycles. This study suggests that biochar can be modified by a green synthesis approach to produce biochar/iron oxide composite with good MB removal capacity.
