生物炭具有多孔结构、比表面积高、耐酸碱腐蚀等特性,是优良的污染物吸附材料。当生物炭用于液相吸附时,人们主要使用过滤法将吸附后的生物炭分离或回收,但过滤法普遍存在筛网堵塞或吸附剂流失等棘手的问题,因此生物炭的实际应用受到制约。通过将铁氧化物等磁性介质负载至生物炭表面,以便在外部磁场作用下实现简单的固液分离,是近年来生物炭材料开发的新热点。以竹材为生物质原料制备磁性生物炭复合材料,是扩展竹材用途、开发其高附加值产品的一种重要途径。本文选用毛竹为初始原料,经过粉碎、干燥、低温热解、铁盐浸渍等步骤制备前躯体后,通过高温一步碳化获得了具有高饱和磁化强度的磁性竹炭。借助粉末X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、环境扫描电子显微镜(ESEM)、透射电子显微镜(TEM)以及超导量子干涉仪(SQUID)等手段对各竹炭产品进行了较为详细的表征分析。现将具体的研究结果汇总如下:(1)综述了磁性生物炭复合材料的研究现状,重点对磁性生物炭的制备方法和工艺参数带来的影响进行了介绍,对磁性生物炭在污染物治理中的应用也作了简单的归纳。(2)以70目毛竹粉为原料,在300、450、600℃低温下通过一小时恒温热解,获得了相应的碳化料,并分别命名为BC300,BC450,BC600。以其中的BC600作为碳源,按1:10质量比例与六水合氯化铁在水中混合、搅拌、干燥、研磨后,获得待磁化的竹炭前躯体,命名为BC600P。结果表明,BC300残留有部分原料中的官能团,并没有完全碳化,BC450和BC600都已碳化完全,但后者石墨化程度略高。BC600P中竹炭基体表面覆盖了一层以氯化物和氧化物为主的含铁衍生物,为后续的竹炭磁化提供了保障。(3)以BC600P为原料,在800、1000、1200℃高温下通过一小时恒温碳化,获得了相应的磁性竹炭复合物,并分别命名为MBC800,MBC1000,MBC1200。它们具有不同的结构与形貌,但都具有较高的饱和磁化强度。MBC800中包含Fe3O4和α-Fe2O3两种磁性介质,其混合形成的大量球形聚合体(直径约5μm)依附在竹炭基体表面上;MBC1000和MBC1200中都只含有零价铁一种磁性介质,但前者中零价铁直径在纳米级到微米级均有覆盖,并部分内嵌于竹炭基体中,而后者中零价铁大多已聚合成具有数十微米直径的近球形颗粒,部分与竹炭脱离。三个样品的饱和磁化强度分别为63.6、118.1、122.7emu/g,其中后两者因矫顽力较低而具有超顺磁性质。优异的磁学性能显示其在磁性材料领域具有巨大的开发潜力。(4)依据从原料到最终产品各个阶段获得的表征分析结果,总结和探讨了磁性竹炭的形成机理。氯化铁溶解于竹炭悬浮液中后,系统在搅拌、干燥过程中形成了铁的氧化物或氢氧化物,当结束研磨时,这些含铁衍生物均一分布于竹炭基体表面。在高温碳化阶段,随着温度的不断升高,竹炭前驱物中的铁系化合物先被还原为Fe3O4等氧化物,后还原为零价铁,最后团聚为体积更大的球状零价铁颗粒并从竹炭中脱离。因此,为了获得物理化学性质稳定的零价铁/竹炭复合物,碳化温度应控制在合理的范围内。