为了更高效的解决水环境中的抗生素及重金属处理难题,本研究开展生物炭基功能材料开发探索,一方面,基于以废治废,变废为宝的思路,采用来源广泛、便于利用的常见农业固废为原料;另一方面,选取内蒙古自治区典型的制药行业废水中的β内酰胺、四环素类或喹诺酮类抗生素以及电镀、制革行业中的含重金属废水中的六价铬作为特征污染物,开发适合处理不同特征污染物的生物炭基功能材料,对材料开展系列处理效率评价实验。具体工作总结如下:1.首先升级材料前改性制备工艺。在生物炭基材料制作过程中,通过超声辅助前改性方法制备了一种超高吸附率、超低脱附率的功能化秸秆炭。较单纯水热前改性秸秆炭的比表面积高达2368 cm2/g,对比传统生物炭提升了210.60%,吸附容量提高了87.11%,脱附率降低了85%以上,饱和吸附状态下材料的整体脱附率降低到5%以下,解决了传统生物炭及水热前改性秸秆炭的高脱附率问题。通过多种表征手段,发现超声辅助前改性秸秆炭的表面具有大量的微球结构,这些微球结构同时大大增加了材料的微孔结构。机理研究表明大量的微孔结构在改善材料对小分子抗生素吸附能力方面具有极大影响力。同时,反应前后的XPS图谱分析表明超声前改性秸秆炭表面具有更多的羟基、酯基和π键官能团,这些功能性官能团进一步提升了材料的吸附性能。另外,通过腐殖酸共存实验等证明材料吸附强度良好。2.通过微波辅助前改性方法制备了一种脱附率超低的材料,利用微波从根本上破坏了生物质的空间网状结构,制备了一种微片层状秸秆炭。该方法制备的微片层生物炭材料突破了空间网状生物炭的结构定式,并且片层表面具有更多的含氧官能团和π-π堆积结构,实验证明这些官能团都有助于形成稳定的吸附。微波前改性秸秆炭的比表面积只有1056.32 cm2/g,但比较超声前改性活性炭的脱附率更低,可以降低到1%左右,这使得材料具有更好的安全性与稳定性。吸附平衡及动力学实验研究表明吸附过程主要以化学吸附与单层吸附为主,XPS图谱分析表明片层状秸秆炭较超声前改性秸秆炭表面有更多的含氧官能团,更强、更清晰的π-π堆积结构信号,原位红外漫反射技术表明吸附过程是动态的,材料表面不同官能团在吸附的不同时间段产生不同的作用,证明了π-π堆积结构在吸附过程中发挥着重要作用。3.其次研究材料的定位功能化改性。在微波辅助前改性技术的基础上,通过先后引入硫源物质蛋氨酸以及锡基原材料氯化亚锡,合成了一种SnS纳米颗粒负载的微片层状秸秆炭材料,对比传统的水热前改性秸秆炭,合成材料对六价铬的去除率可以达到80%,去除量提升到8.615 mg/g,去除量较传统微波炭提升13倍。采用SEM、TEM、XRD、FTIR、XPS等方法对材料进行了综合分析,SEM、TEM分析表明直径约10 nm左右的SnS纳米颗粒均匀负载在微碳球的表面,XRD分析发现材料表面有明显的SnS衍射峰信号,FTIR、XPS分析发现材料表面有明显的Sn-S的特征峰。同时进行了稳定性探索实验。4.最后开展自掺杂生物炭基功能材料的开发。选取自带高甲硫氨酸的蛋白质——废弃羽毛为生物质原料,利用羽毛中存在的丰富硫元素,结合微波前改性技术与氯化亚锡在微波环境下自交联原位组装的反应模式,制备了一种羽毛炭基硫化锡耦合高效还原剂,通过SEM、TEM等表征手段,发现大量5-10 nm左右的SnSx粒子成功负载在羽毛炭模板上。通过反应前后XPS及Ar+剥离测试结果表明新材料不仅可以高效去除痕量六价铬,将六价铬浓度处理到50μg·L-1同时还具有协同去除三价铬残留物的能力。在模拟地下水原位条件下,也能高效去除六价铬。羽毛炭基硫化亚锡耦合高效还原剂对含六价铬涉重金属废水具有高效的处理能力。综上,本研究制得的材料具有更快的去除速率,更高的去除能力,更低的脱附效率或残留率。同时,材料的制备过程环保简单,原料成本低廉,具有潜在的工业化应用前景。