以废治废！两种废料制备出“生物炭”变身废水处理利器

近日，中科院合肥物质科学研究院智能所吴正岩和张嘉团队，利用固体废物-赤泥和玉米秸秆研制出一种新型功能化生物炭，并将其应用于酸性印染废水的治理工作。他们的相关成果已被环境科学工程领域核心期刊《清洁生产杂志》接收发表。

印染废水是加工棉、麻、化学纤维及其混纺产品为主的印染厂排出的废水。每印染加工1吨纺织品耗水100-200吨，其中80-90%成为废水。纺织印染废水具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点，属难处理的工业废水之一，废水中含有染料、浆料、助剂、油剂、酸碱、纤维杂质、砂类物质、无机盐等，印染废水处理具有极其重要的地位。

“这完全是课题组的一个突发奇想，把种碱性废物和一种酸性污染物放在一起，既去除了污染，又中和了二者的酸碱性。”中国科学院合肥物质科学研究院研究员、安徽省环境毒理与污染控制技术重点实验室副主任吴正岩告诉记者。

吴正岩说道，赤泥是铝冶炼工业中产生的一种碱性工业固体废物。据统计，我国赤泥年产量约8000吨，全球库存赤泥超过20亿吨。赤泥大多被堆积储存在铝土矿废渣处置基地中，造成大量土地资源浪费，对周边的土壤和水体也会形成一定的危害。而玉米秸秆也是一种农业固体废物，具有量大价廉的特点。

“针对这两种常见的固体废物，我们课题组采用二者混合热解的方法，制备出一种新型生物炭，并将其应用于酸性印染废水的处理。”吴正岩研究员告诉记者，之所以采用热解法制备方法，是因为其最大优势就是原料优势，由于所用材料的所有原料分别是工业固体废物赤泥和农业固体废物玉米秸秆，均为固体废物。

“我们通过热解法制备，得到了一种功能生物炭复合材料”。吴正岩表示，制备过程中的热解温度“很关键”。

“课题组在实验室里对其结构转变机理进行了研究，充分表征了不同热解温度下功能生物炭复合材料制备过程中形貌和组成的变化，以及热解过程中气态产物的变化。”吴正岩说，通过研究发现，在玉米秸秆上产生了多孔结构，使功能生物炭复合材料具有去除水中染料的能力。此外，在700℃的赤泥中，碳酸钙分解生成了氧化钙，这就表明功能生物炭复合材料可用于中和酸性废水。

“通过进一步的研究，确认了功能生物炭复合材料在处理酸性染料废水中表现出了良好性能。而酸性染料废水是一种酸性和染料含量高、处理困难的常见工业废水。”吴正岩说，此外，这种功能生物炭复合材料还具有磁性，这是因为在高温热解条件下，玉米秸秆产生的还原性气体将赤泥中的铁氧化物还原为带有磁性的单质铁。

“我们把这种功能生物炭复合材料简称为生物炭。”吴正岩说，生物炭不但可吸附印染废水中的染料，同时由于其本身具有磁性，使用完毕后可进行磁回收，避免了对环境的二次污染。“此外，该材料还有较强的碱性，在处理酸性印染废水的过程中，既可中和废水的酸性，又可消除材料本身的碱性。”

吴正岩表示，他们发展出的热解方法制备的生物炭操作过程简单、成本低廉，只需要一步就可以直接完成制备。不但制备时间短，主体的材料制备过程仅为三个小时左右。“我们的制备方法所用的设备也很简单，设备成本不高，中间仅需要极少的人力成本投入。由于我们的原料来源是固体废物，原料成本仅仅为材料的运输成本所以整体成本是2500-3500元/吨。”

“与其他的酸性染料废水处理方式相比，我们研究提出的解决方案，在保证原有废水处理效果上，使用的原料皆为固体废物。相比于固体废物的简单堆积，这一方法将固体废物做到物尽其用，废物利用，不仅解决了固体废物堆放导致的环境问题，还创造了一定的经济收益。可谓是实现了固体废物回收与酸性染料废水处理的双赢。”吴正岩表示，这一方法还具有其他领域潜在的应用价值。

“未来，我们将会集中功能生物炭复合材料两个方向的探索：一是探索该材料更加广阔的应用场景，比如说有机污染物废水等。二是对处理完后废旧污泥的开发与应用，这样不仅能带来新的收益价值，还能完成对固体废物的深度处理和应用。”吴正岩说。