新不倫瑞克大學(xué)科研學(xué)術(shù):污泥生物炭基催化劑的新應(yīng)用

新不倫瑞克大學(xué)（新布倫斯威克大學(xué)）是加拿大一所座落在新布倫茲維克省的公立性質(zhì)大學(xué)。新不倫瑞克大學(xué)同時(shí)是加拿大資格最老的英語(yǔ)語(yǔ)言大學(xué)，也是北美地區(qū)最早的公共院校。大學(xué)的主校區(qū)于1785年建立在弗雷德里克頓，分校區(qū)于1964年建立于圣約翰。另外，還有兩個(gè)小的衛(wèi)星健康科學(xué)校區(qū)分別座落在巴瑟斯特和蒙克頓。加拿大綜合類大學(xué)

近日碳基催化劑的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了新不倫瑞克大學(xué)研究人員對(duì)無(wú)金屬催化的大量研究，人們研究了各種低成本和地球上豐富的生物材料，以生產(chǎn)含碳催化劑，因?yàn)樗鼈兪翘己推渌δ茉氐奶烊粊?lái)源。近年來(lái)，污泥生物炭（SB）作為催化劑因其在高級(jí)氧化工藝（AOPs）和儲(chǔ)能裝置（ESDs）中的良好性能而受到了廣泛的研究關(guān)注。此外，它提供了一種具有成本效益和環(huán)保的污泥增值方法，該方法基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則開(kāi)發(fā)環(huán)境過(guò)程。

該篇綜述系統(tǒng)地總結(jié)了該技術(shù)的最新性質(zhì)，包括催化劑合成路線、物理化學(xué)性質(zhì)以及在AOPs和ESDs中的應(yīng)用，深入討論了碳化因素與催化活性位點(diǎn)發(fā)展之間的關(guān)系，突出了不同改性工藝的優(yōu)缺點(diǎn)；此外，在其應(yīng)用過(guò)程中對(duì)各種催化機(jī)制進(jìn)行了科學(xué)洞察；最后，還概述了這一新興領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和前景。除了介紹這項(xiàng)研究的進(jìn)展外，該綜述還首次全面記錄了污泥生物炭在ESD中的應(yīng)用。

污泥生物炭基碳催化劑的性能研究

污水污泥中含有有機(jī)和無(wú)機(jī)成分的復(fù)雜混合物。由于廢水處理工藝和原料材料的多樣性，污泥組成差異很大。因此，它們的生物炭性質(zhì)也有所不同；此外各種碳化或工程方法增加了這些差異。熱解條件在決定SB的內(nèi)部組成和調(diào)節(jié)表面官能團(tuán)方面具有重要作用。隨著熱解溫度的升高，金屬含量增加，非金屬含量降低，這是高溫下?lián)]發(fā)物損失和灰顆粒殘留。根據(jù)污泥熱解過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)轉(zhuǎn)化將分解溫度分為三個(gè)范圍：1）低溫：300-400℃（纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分解），2）中等溫度：400-700℃（主要木質(zhì)素分解），3）高溫：700-1200℃（冷凝）。在100-300℃時(shí)，污泥中沒(méi)有發(fā)生明顯的化學(xué)變化，說(shuō)明污泥炭化過(guò)程并沒(méi)有在這個(gè)范圍內(nèi)開(kāi)始。

在300-400℃溫度下，污泥中的揮發(fā)性含量由于轉(zhuǎn)化為焦油或氣態(tài)含量而顯著損失。在這個(gè)階段，由于羧基C和O-烷基C基的損失，炭化物產(chǎn)生了較高程度的碳損失和較高程度的二氧化碳排放。在中等溫度范圍內(nèi)(400-700℃)，SB比在低溫下產(chǎn)生的SB獲得更少的脂肪族基團(tuán)和更高的石墨碳，這一階段含C和O氣體的排放量較低，但由于失去脂肪族基團(tuán)，可以觀察到更高的H2釋放。

污泥生物炭作為類芬頓催化劑

Fe2+/Fe0對(duì)污泥生物炭和過(guò)氧化氫的芬頓反應(yīng)，隨著碳化溫度和加熱時(shí)間的升高，碳水化合物是將Fe3+還原為Fe2+的主要作用，而蛋白質(zhì)的影響較低。污泥生物炭的Fe2+和Fe0對(duì)過(guò)氧化氫分解均具有催化活性。SB表面上的四氧化三鐵通過(guò)一個(gè)非均相過(guò)程來(lái)分解過(guò)氧化氫，F(xiàn)e2+/Fe3+仍停留在四氧化三鐵的八面體位置，并表現(xiàn)出快速的電子跳變。Fe2+與過(guò)氧化氫反應(yīng)后可被氧化，生成Fe3+，作為反應(yīng)產(chǎn)生OH-和氫氧化物的副產(chǎn)物。因此，F(xiàn)e3+可以通過(guò)與過(guò)氧化氫反應(yīng)而被還原為Fe2+，從而完成氧化還原循環(huán)，然后產(chǎn)生的活性自由基與污染物或過(guò)量的過(guò)氧化氫發(fā)生反應(yīng)。新不倫瑞克大學(xué)

SB的非金屬位點(diǎn)也可以進(jìn)行類芬頓反應(yīng)。SB的芳香族結(jié)構(gòu)通過(guò)催化過(guò)程中的π−π相互作用和電子穿梭來(lái)支持污染物的吸附。由于碳基質(zhì)作為一個(gè)電子庫(kù)，從C-C轉(zhuǎn)移到結(jié)晶相C=C的電子有利于過(guò)氧化氫的分解；此外，SB表面的孤對(duì)電子位點(diǎn)，如C=O和N種(吡啶和吡啶N)也作為活性位點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兛梢詫㈦娮訌纳锾哭D(zhuǎn)移到過(guò)氧化氫。

在Fe2+/Fe3+和Fe0位點(diǎn)上的類芬頓反應(yīng)，b）污泥生物炭非金屬位點(diǎn)的過(guò)氧化氫分解。

污泥生物炭作為過(guò)硫酸鹽（PS）激活劑

由于親水性，生物炭表面的電子可以轉(zhuǎn)移到反應(yīng)介質(zhì)中，通過(guò)自由基過(guò)程進(jìn)行PMS分解，直接轉(zhuǎn)移到PMS中產(chǎn)生各種自由基，如SO4•−and•OH。污泥生物炭的石墨化程度和疏水性隨著熱解溫度的增加而增加，因此在高溫下產(chǎn)生的SB通過(guò)與PMS相互作用而不是釋放電子來(lái)產(chǎn)生反應(yīng)位點(diǎn)。電子可以通過(guò)sp2雜化碳穿梭到生物炭表面，并由于疏水性而留在其表面，同時(shí)石墨N通過(guò)電子裁剪激活相鄰的碳，活性炭吸附PMS產(chǎn)生SB-PMS*。

除非自由基過(guò)程外，污泥生物炭在PS活化過(guò)程中也產(chǎn)生自由基。與類芬頓催化劑類似，SB的Fe0和Fe2+基團(tuán)向PS提供電子，通過(guò)切割PS的O-O鍵產(chǎn)生自由基(SO4•−and•OH)；事實(shí)上，sp2碳模板支持氧化還原循環(huán)的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。對(duì)于富含金屬的SB，在高溫下的碳化是有利的，因?yàn)樵诟邷叵掠欣诋a(chǎn)生還原的金屬種類和高芳香族碳。

優(yōu)化后的SB作為催化劑在PS-AOPs中具有很高的反應(yīng)活性。在SB/PDS系統(tǒng)中，細(xì)菌傾向于附著在SB的表面，釋放電子，通過(guò)C=C結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移，其結(jié)果是細(xì)菌會(huì)發(fā)生凹坑和損傷生物膜（4c）。因此，細(xì)菌的細(xì)胞膜被破壞，并且可以實(shí)現(xiàn)非常高的大腸桿菌殺菌率。對(duì)SB/PS/G中硝基苯的一種類似的非自由基降解方法。生物炭和微生物之間的高電子轉(zhuǎn)移是導(dǎo)致污染物有效氧化的原因。

SB對(duì)PMS的活化及對(duì)SB碳化溫度對(duì)反應(yīng)機(jī)理的影響，b)PMS對(duì)SB中鐵種類的激活機(jī)制，c）SB表面微生物消毒的SEM圖像和d)非自由基微生物消毒工藝。

污泥生物炭在儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用

生物炭基材料由于其易于調(diào)節(jié)官能團(tuán)和表面特性，在超級(jí)電容器中具有很高的應(yīng)用潛力.具有非常高的表面積（2839 m2g−1）和孔隙率（2.65 cm3g−1）的污泥生物炭，并將其作為超級(jí)電容器電極的材料。據(jù)報(bào)道，除硅顯著增加了比表面積和相對(duì)碳含量，并將總灰分含量從69%降低到0.03%，形成了蜂窩結(jié)構(gòu)。碳含量提高了材料的導(dǎo)電性。分層多孔結(jié)構(gòu)有利于電解質(zhì)離子的快速擴(kuò)散，為快速充放電提供了通道，從而提高了能量存儲(chǔ)和速率能力。這些在薄碳層上的活性位點(diǎn)促進(jìn)了電雙層的構(gòu)建，增加了電容。在電流和功率密度為0.5 Ag−1和181.2 Wkg−1時(shí)，材料的電容和電流密度分別為379 Fg−1和30.5 Whkg−1，20000次循環(huán)后電容保留率為90%，其電容性能可與其他碳質(zhì)超級(jí)電容器相當(dāng)。

新不倫瑞克大學(xué)科研學(xué)術(shù):污泥生物炭基催化劑的新應(yīng)用

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未來(lái)的展望

在過(guò)去的幾次衰變中，SB基催化得到了巨大的改進(jìn)。揭示了各種先進(jìn)的合成方法和催化機(jī)理。雖然在這一研究方向上取得了重大進(jìn)展，但還需要進(jìn)一步的研究，將這一新興技術(shù)發(fā)展到實(shí)用性水平，并充分釋放其潛力。

（1）在實(shí)際應(yīng)用方面，應(yīng)進(jìn)一步研究提高SBs的性能，例如通過(guò)優(yōu)化化學(xué)/物理特性，或?qū)和/或S元素與金屬氧化物摻雜相結(jié)合；

（2）由于活性位點(diǎn)的丟失或其他原因，SB的性能隨著催化劑的回收而下降。應(yīng)開(kāi)發(fā)有效的方法，以盡量減少這些活性位點(diǎn)的損失或活性位點(diǎn)的再生；

（3）應(yīng)進(jìn)行熱化學(xué)改性對(duì)不同污泥組成（高、中、低灰分污泥）產(chǎn)生的污泥生物炭性能的影響。此外，還需要研究它們?cè)贏OPs中的性能和反應(yīng)機(jī)制，特別是在PMS和PDS激活中；

（4）今后的研究應(yīng)集中于研究SBs在工業(yè)廢水處理中的催化能力，以了解SB在工業(yè)規(guī)模的廢水修復(fù)中的實(shí)用性；科研學(xué)術(shù)

（5）應(yīng)研究各種工程工藝對(duì)孔隙特性發(fā)展的有效性；此外還應(yīng)采用各種理化處理方法，如蒸汽熱解、淬火和活化等，以增強(qiáng)SB的電催化活性位點(diǎn)。

總結(jié)與展望

該項(xiàng)工作主要綜述了SB基催化劑在AOPs和ESDs中的研究進(jìn)展詳細(xì)，討論了SB的合成方法、特性、催化應(yīng)用和挑戰(zhàn)。與其他生物炭不同，SB含有獨(dú)特的雜環(huán)N、雜環(huán)碳和金屬含量等特性，因此它們?cè)贏OPs中具有高性能，特別是在PS-AOPs中。在廢水修復(fù)中，由于SB具有廣泛的活性位點(diǎn)，它以自由基和非自由基的方式進(jìn)行吸附和催化。由于其多功能特性，SBs比其他生物炭和許多碳質(zhì)材料具有更高的催化性能。最近的工程方法可以將污泥生物炭的表面積和孔隙率提高到超高水平。具有高表面積、孔隙度、石墨結(jié)構(gòu)、N、C含量豐富的SB，在各種ESDs中均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。SB基電極的性能可與石墨烯或其他碳質(zhì)電極相媲美。為AOPs和ESDs生產(chǎn)SB是一種環(huán)保的方法，這種綠色且具有成本效益的技術(shù)不僅提供了污泥穩(wěn)定技術(shù)，而且還提供了循環(huán)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略和可持續(xù)的方法。

新不倫瑞克大學(xué)曾被麥克林雜志譽(yù)為加拿大最著名的5所綜合性大學(xué)之一。大學(xué)開(kāi)設(shè)的專業(yè)有：會(huì)計(jì)學(xué)、電子商務(wù)學(xué)、商業(yè)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、性學(xué)研究、英語(yǔ)、法語(yǔ)、刑事司法學(xué)、工商管理學(xué)、社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等專業(yè)。