改性水熱炭對鉛的吸附模型及機理分析

夏 宇，楊天學，朱能敏，李 東，陳則良，郎乾乾，劉振剛，焦文濤

（1.中國科學院生態環境研究中心 固體廢棄物處理與資源化實驗室，北京100085；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120；4.中國環境科學研究院 環境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012；5.農業農村部沼氣科學研究所 農村可再生能源開發利用重點實驗室，四川 成都 610041）

譯者：夏 宇；審查：繆 巍；單位：中國城市建設研究院有限公司

1 研究亮點

*提供了一種過氧化氫與超聲協同改性方法及一種吸附機理的定量分析方法。

2 背景

因來源廣泛、價格低廉、制備簡單，生物炭常被應用于碳封存、土壤改良、水處理以及環境修復等環境領域。水熱炭化是制備生物炭的重要方式之一。相比于其他類型的生物炭，水熱型生物炭（簡稱水熱炭）表面具有更豐富的極性含氧官能團，在水體污染治理方面具有重大優勢。近年來，關于水熱炭水環境污染治理的研究大多局限于對原生材料的研究，對于水熱炭改性和吸附強化的研究較少，且目前尚缺乏水熱炭對水體重金屬吸附的深入機理研究。因此，本研究采用經濟高效的過氧化氫與超聲協同法制備吸附強化的改性水熱炭材料，并結合吸附實驗數據、化學分析方法和多種光譜技術，從量化層面揭示其對鉛的吸附作用機制。

3 研究方法

以松木木屑為原料，通過水熱炭化法制得原生水熱炭，再以原生水熱炭為原料，通過過氧化氫和超聲協同處理進一步制得改性水熱炭。采用Langmiur、Freundlich、Temkin 吸附等溫線模型以及pseudo-firstorder、pseudo-second-order 吸附動力學模型對水熱炭吸附鉛進行擬合，研究吸附本質規律，作為支撐吸附機理分析的重要依據。同時，通過模型擬合計算出吸附平衡時間及吸附效能等重要物理參數。結合吸附前后水熱炭的基團結構、晶相結構、化學結合態，以及液相中可交換離子濃度、鉛離子形態等變化情況，揭示水熱炭對鉛的吸附作用機制。最后，通過官能團屏蔽實驗確認各吸附作用力對鉛吸附貢獻的量化占比。

4 主要研究結果

過氧化氫與超聲協同處理極大地增加了水熱炭中極性含氧官能團數量，羧基、內酯基和酚羥基的含量分別提升了3.4 倍、2.1 倍和2.0 倍。相比于原生水熱炭，改性水熱炭的吸附能力提升了42 倍。

通過對比吸附前后液相與水熱炭變化情況，發現液相中可交換離子與吸附不存在相關性，吸附全過程中鉛始終以二價形態存在，吸附后沒有鉛的新晶像物生成，但存在鉛氧結合的新配合物。同時結合紅外光譜數據和O1s能譜數據，分析得出水熱炭對鉛的吸附作用機制主要為羧基、羥基、共軛π 電子的配位結合作用。通過將羧基、羥基等基團屏蔽之后重新測定屏蔽后水熱炭對鉛的吸附能力，進一步得出羧基、羥基以及鉛-π 非鍵作用力貢獻占比分別為62.12%、27.14%和10.74%。

5 結論與展望

本研究提供的過氧化氫與超聲協同改性方法，相比于其他熱處理法、元素摻雜法、接枝改性法等，具有操作簡便、經濟高效且不產生二次污染等特點。該方法有效活化了水熱炭，極大地增強了其對于鉛的吸附去除能力，制得的改性水熱炭作為潛在水體重金屬吸附劑具有良好的應用前景。本研究提供的吸附機理分析方法，實現了吸附機理研究從定性到定量的跨越，可為廣大科研工作者提供參考。