北京大学童美萍课题组Water Research：生物炭层可以提高砂滤系统对微塑料的截留
第一作者：谢理淳（北京大学）
通讯作者：杨坤教授（浙江大学）、童美萍教授（北京大学）
论文DOI: 10.1016/j. watres.2022.118783
近日，北京大学环境科学与工程学院童美萍教授课题组与浙江大学环境与资源学院杨坤教授团队合作在Water Research上发表了题为“Addition of biochar as thin preamble layer into sand filtration columns could improve the microplastics removal from water”的研究论文（DOI: 10.1016/j. watres.2022.118783）。该研究考察了三种生物质原料（即木质素、纤维素和木屑）在两种热解温度（400ºC和700ºC）下制备的六种生物炭分别作为砂滤系统中渗透薄层，对塑料颗粒在慢流速（4 米/天）或快流速（160 米/天）下的截留/去除性能，并在多种操作条件下进行了截留/去除效果测试。研究结果表明700℃下制备的木屑生物炭具有固定污水处理厂出水中小尺寸微塑料的应用潜力。
六种不同生物炭的SEM表征
研究中首先在两种温度（400ºC和700ºC）下热解三种生物质原料（即木质素、纤维素和木屑），制备了六种生物炭，并对六种生物炭进行了性质表征。发现由于生物质来源与热解温度不同，六种生物炭存在性质差异。不同生物炭有不同的形状与表面形态，且随着热解温度的升高，生物炭含有的疏水官能团增多，其表面粗糙度与比表面积等都相应增加/增大。
图1 六种生物炭样品的SEM图像。右上角的图像显示了生物炭样品的总体形貌。
慢滤条件下含有生物炭薄层的砂滤系统中MPs的去除性能
图2 慢流速下（4 m/d）未添加生物炭和添加生物炭薄层的砂柱中MPs的穿透曲线（左）和截留曲线（右）。
快滤条件下含有生物炭薄层的砂滤系统中MPs的去除性能
之前的研究表明提高流速会抑制砂滤系统对胶体的去除性能，研究发现流速提高至160米/天时纯砂柱过滤系统几乎难以截留溶液中的MPs，而与慢滤条件下类似，在砂柱过滤系统中添加生物炭薄层同样可以在快滤条件下提升MPs的去除性能。快滤条件下添加不同生物炭砂柱对MPs的截留能力次序仍与慢流速下一致（木屑生物炭>纤维素生物炭>木质素生物炭）。相较于慢滤条件，快滤条件下含有生物炭薄层的砂滤系统对MPs的截留性能有所下降。但高温（700ºC）下制备的木屑生物炭（Wc-700BC）即使在快滤条件下仍展现出优异的MPs截留能力。添加1 wt% Wc-700BC薄生物炭层的砂滤系统在160 米/天快滤条件下仍然可以高效截留水体中的MPs。
图3 快滤条件下（160 m/d）未添加生物炭和添加生物炭层的砂柱中MPs的突破曲线（左）和截留曲线（右）。
薄生物炭层提高MPs去除效率的机理
动态可视化装置实时观察MPs的截留过程
通过使用动态可视化装置直接观察MPs在三种代表性生物炭（木质素生物炭、纤维素生物炭、木屑生物炭）表面的实时截留过程发现MPs可以通过不同的截留过程固定于不同生物质来源的生物炭表面。对于木质素生物炭（Li-700BC），MPs在与其碰撞后会通过摩擦阻力减速并在生物炭表面滑动或滚动，最终被截留于木质素生物炭表面的粗糙位点或被水流冲走。而对于纤维素生物炭（Ce-700BC），MPs在撞击到其表面后会立即被捕获于生物炭表面的褶皱区域。
图5 在Li-700BC（a）和Ce-700BC（c）上的代表性MPs截留轨迹，以及在Li-700BC（b）和Ce-700BC（d）上MPs保留的SEM图像。箭头指示MPs固定在生物炭上的位置。
图6 Wc-700BC上具有代表性的MPs截留轨迹（a、c、e）和MPs固定在Wc-700BC上的SEM图像（b、d、f），箭头指示保留MPs在生物炭上的位置。
不同操作条件下的MPs去除效率（间歇操作、多轮次循环、长时间过滤）
进一步验证六种生物炭中性能最佳的高温制备木屑生物炭（Wc-700BC）在不同操作条件下的MPs去除效率，发现添加1 wt%木屑生物炭薄层的砂滤系统可以在间歇操作、多次循环过滤以及长时间（100PV）过滤中都保持高MPs去除效率。此外通过溶液密度可以分离生物炭层中的生物炭与MPs，再生回收后的生物炭可以再次重复利用。
图7 在快流速（160 m/d）间歇操作（a）、慢流速（4 m/d）多轮次循环过滤（b）与长期过滤过滤条件下，无生物炭（球形，红色）和添加1 wt% Wc-700BC（方形，绿色）的过滤系统中MPs的穿透曲线（BTC）。误差条表示标准偏差（n≥ 3）。
在真实河水与污水中MPs去除效率
同时，在慢流速下进一步验证含有生物炭薄层的砂滤系统在真实水体（河水/污水）中的过滤性能，发现在添加了1 wt%木屑生物炭薄层（Wc-700BC）的过滤系统中，河水和污水样品中的MPs均被完全去除。实验结果说明添加了1 wt% 木屑生物炭（Wc-700BC）薄层的过滤系统在实际水样中也显示出高MPs去除潜力。
图8 慢流速（4米/天）条件下，在实际河水（a，b）和污水样品（c，d）中不含生物炭（球形，红色）与添加1 wt% Wc-700BC（方形，绿色）柱中，MPs的穿透曲线（BTC，左侧）和截留曲线（RPs，右侧）。误差条表示标准偏差（n≥ 3）。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043135422007369?dgcid=coauthor
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