污泥生物炭對重金屬的吸附機理及影響因素研究

中圖分類號：X705 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-0908-05

污泥是含有大量懸浮固體顆粒的水性混合物，通常由污廢水處理等過程中產生。污泥的成分復雜，包含固體顆粒、有機物、無機鹽、微生物等[1-3]。近年來，隨著工業化的發展和城市人口的增多，城市污泥產量也隨之增加。《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（GB18918—2002）規定，污泥中重金屬質量濃度不超過 30mg?L^-1[4] 。目前，污泥的處理處置主要以焚燒、填埋和土地利用為主[5]，其中污泥焚燒過程中會產生大量的飛灰和煙氣等污染物，而且由于污泥含水率高、有機質含量低，無法直接作為肥料或土壤改良劑使用，而傳統的改良土壤方法會對環境造成二次污染[6-7]，因此，污泥資源化利用對實現污泥的合理處置極其必要和重要。

污泥生物炭是污泥經熱解而成的富含碳素的固態物質，具有較大的比表面積和豐富的官能團，是一種高效、穩定、經濟的固體吸附劑[8，在土壤改良、環境治理、催化和儲能等領域均有良好應用，是污泥資源化利用的有效途徑和熱點技術之一[9]。水體重金屬污染是我國正在面臨的一個嚴峻的環境問題，污泥生物炭則能夠有效地吸附重金屬離子，并加速遷移和吸附速度，而且與傳統的吸附劑相比，污泥生物炭不僅具有較高的吸附容量，還具備良好的重金屬離子選擇性，能夠選擇性地吸附不同種類的重金屬離子，是一種性能優異、綠色環保的優質重金屬離子吸附劑，因此對重金屬的吸附與固定是污泥生物炭研究的熱點，也是污泥資源化利用及“以廢治廢”的重要體現。國內外科研人員對污泥生物炭吸附去除水體中重金屬的性能及機理進行了實驗和理論研究，證明了污泥生物炭對重金屬離子吸附的有效性和可靠性，同時通過污泥生物炭改性處理、調整制備工藝參數和吸附反應環境條件等方法，對影響污泥生物炭吸附重金屬性能的作用因素及規律進行了研究，以進一步改善污泥生物炭吸附性能，提高重金屬吸附去除率。通過對近年來國內外污泥生物炭在重金屬吸附領域的相關文獻進行調研和總結，對污泥生物炭吸附重金屬的主要吸附機理、影響吸附效果的因素、吸附機制等問題進行闡述，并提出存在的問題及潛在發展方向。

1污泥生物炭對重金屬的吸附機理

污泥生物炭具有多孔結構和豐富的官能團，因此具備極強的吸附能力。污泥生物炭對重金屬的吸附性能和機理如表1所示，主要吸附機理包括表面沉淀、表面絡合、 π 電子配位作用、氧化還原作用、離子交換和靜電吸引作用等。

表面沉淀：重金屬離子與污泥生物炭表面的豐富官能團發生化學反應，生成具有較低溶解度的沉淀物，這種沉淀物通常與污泥生物炭的表面結合較為牢固，能夠有效地吸附溶液中的重金屬離子。此外，大多數金屬離子易在堿性條件下沉淀[10]。

表面絡合：污泥生物炭具有大量的官能團，如羥基、羧基、胺基等，這些官能團可以與重金屬離子形成絡合鍵。在吸附過程中，重金屬離子通過靜電作用與污泥生物炭表面的官能團發生吸附作用，形成表面絡合物，這種絡合物具有較強的結合能力，能夠有效地吸附和固定重金屬離子[11]

π 電子配位：污泥生物炭的多孔結構中存在著大量的 π 鍵，可以提供大量電子云，重金屬離子進入污泥生物炭的孔道中，通過與電子云上的自由電子、孤對電子或 π 鍵電子之間的電子轉移[12]，實現與多孔結構中的 π 鍵形成鍵合作用。

氧化還原：通過氧化和還原反應改變重金屬的化學狀態，增強吸附效果，并促進重金屬與污泥生物炭的官能團結合。氧化作用是將重金屬離子氧化成更高價態的形式，使重金屬更易于與污泥生物炭表面上的功能基團結合；還原作用是將重金屬離子還原成較低氧化態或金屬納米顆粒的形式，使其更易于被吸附和固定在污泥生物炭的孔隙或表面上。

離子交換：污泥生物炭表面的官能團與水溶液中的重金屬離子發生電荷轉移作用，使重金屬離子從溶液中被吸附到污泥生物炭表面上。此外，通過污泥生物炭上某些官能團中的陰離子或陽離子與重金屬離子發生反應，形成與其官能團上的離子相對應的金屬絡合物[13]。

靜電吸引：污泥生物炭的表面帶負電荷，與帶正電荷的重金屬離子接觸后，靜電吸引力導致重金屬離子吸附在污泥生物炭的表面。靜電吸引作用力大小主要由污泥生物炭Zeta電位和 pH 決定，具有很高電荷密度的重金屬離子與污泥生物炭之間的庫侖引力更大，更易發生靜電吸附[10]。

2 吸附性能影響因素

基于污泥生物炭在吸附重金屬過程中可能發生的吸附作用和機理，通過改善污泥生物炭特性和反應環境條件等影響吸附性能的因素，強化污泥生物炭對重金屬的吸附作用，則可以優化重金屬的吸附去除效果。污泥生物炭對重金屬吸附性能的影響因素主要包括污泥生物炭本身的理化性質及吸附反應條件等[24]。

2.1 污泥生物炭的投加量

污泥生物炭投加量在整個吸附體系吸附平衡中起著至關重要的作用。通常污泥生物炭吸附重金屬的效果會隨投加量增加而明顯提高，投加量過小會導致污泥生物炭對重金屬離子的吸附能力降低，而投加量過大，會使污泥生物炭的表面活性受到抑制，吸附能力降低，因此選擇適量的污泥生物炭投加量是保證吸附效果的關鍵因素[25]。李江山等[2研究了市政污泥生物炭對可溶性重金屬（ Pb²⁺ ！ Cu²⁺ 和Zn²⁺ )的吸附特性，發現隨著污泥生物炭投加量的增加，溶液中重金屬的去除率逐漸增加。當污泥生物炭相對投加量約為 20% 時，溶液中 Pb²⁺ 、 Cu²⁺ 、 Zn²⁺ 的吸附率分別為 46.82% 、 9.72% 和 6.90% ，但單位吸附量總體上呈下降趨勢。

2.2 污泥生物炭的熱解溫度

大多數研究結果表明，熱解溫度對污泥生物炭吸附重金屬的能力具有重要影響，因為它直接影響污泥生物炭的結構特征，包括孔隙結構、比表面積、ΔpH 和官能團數量。鄭凱琪等[27]以剩余污泥為原料，分別在300、400、500 C 條件下制備污泥生物炭，結果表明500 C 熱解污泥生物炭對 Pb²⁺ 、 Cd²⁺ 的吸附量最大，飽和吸附量分別 Pb²⁺14.39mg?g^-1 、 Cd²⁺ 1.45mg?g^-1 ，可見對 Pb²⁺ 的吸附效果更好。陳林等[28]研究了污泥生物炭的熱解溫度對 Cr⁶⁺ 的吸附性能的影響，結果表明隨著熱解溫度的增加，生物炭的比表面積增加，表面結構發生異構化，含氧官能團減少，芳香化程度增強，500 C 熱解污泥生物炭對 Cr⁶⁺ 的吸附性能最佳。

2.3 溶液的pH

污泥生物炭表面電荷和溶液中重金屬離子化學形態會受到溶液pH影響，當溶液 pH 增大，污泥生物炭表面官能團更易失質子，繼而強化表面去質子化能力。經過去質子化處理，污泥生物炭的表面帶負電荷，對帶正電重金屬離子具有靜電引力吸附作用。溶液的 pH 對污泥生物炭對重金屬離子的靜電引力、表面絡合和重金屬沉淀過程有顯著影響[29]。MUBARAK等[30研究磁性污泥生物炭對 Zn²⁺ 的吸附性能，結果表明，溶液 pH=10 時，磁性生物炭對 Zn²⁺ 的去除率最高，去除率為 75% 。李江山等[26對市政污泥生物炭吸附可溶性重金屬的研究結果表明，當溶液的初始 pH 小于4時，重金屬的吸附量隨 pH 增加而逐漸增加；當溶液 pH 在4\\~6時，重金屬的吸附量增加迅速；最佳 pH 為6，此時 Pb²⁺ ！ Cu²⁺ 、 Zn²⁺ 的平衡吸附量分別為42.941、25.769、 12.484mg?g^-1 。

2.4 重金屬離子濃度

溶液中的重金屬離子濃度直接影響污泥生物炭的吸附能力。一般來說，當吸附劑投加量一定時，對應的吸附位點數確定，從而決定了可吸附的重金屬離子濃度。重金屬離子濃度越高，污泥生物炭的吸附容量也越大。但是隨著重金屬濃度的增加，吸附容量可能會達到飽和狀態。如果重金屬離子濃度超過最佳濃度，污泥生物炭的吸附能力會明顯下降。因此，為了以最低的成本獲得最佳的吸附效果，必須適當調整污泥生物炭的投加量，以適應特定的重金屬離子濃度[31]。

2.5 吸附反應時間

污泥生物炭對重金屬的吸附容量隨吸附反應時間的增加表現為3個不同的階段。第一階段為吸附反應的初始階段，溶液中重金屬離子與污泥生物炭表面的濃度差異最大，傳質推動力最大，促使重金屬離子快速擴散至吸附位點，導致吸附容量迅速增加；隨著吸附反應的持續則進人第二階段，傳質推動力逐漸減小，導致吸附速率減緩；第三階段代表吸附過程已經達到動態平衡狀態，此時吸附和解吸速率相等，吸附容量基本不再增加[32]。

3 吸附過程理論研究方法

3.1 吸附動力學

吸附動力學主要研究物質在固體表面或界面上吸附過程的速率和機制，包括吸附速率、解吸速率、吸附平衡等，關注吸附過程中分子之間的相互作用、擴散過程和表面反應等。通過研究污泥生物炭對重金屬的吸附動力學，可以有效地揭示污泥生物炭的吸附機理。目前吸附反應動力學模型主要包括準一級和準二級動力學模型、內擴散動力學模型、液膜擴散模型、一級可逆反應模型、Elovich模型等。平衡吸附量的實驗值與動力學計算值之間的差異是評價動力學模型的關鍵參數之一，而動力學方程的擬合相關系數則用于衡量擬合程度，通常要求相關系數大于0.98，以確保擬合結果良好[33]。常用的動力學模型是準一級動力學、準二級動力學、內擴散動力學。準一級動力學模型適用于對吸附過程的初始階段進行分析，該模型假定重金屬離子的吸附主要受到擴散步驟的控制；準二級動力學方程針對受到化學吸附速率限制的擴散過程，其中吸附劑表面與重金屬離子之間可能發生電子轉移或共用；內擴散模型假定液膜擴散阻力可以忽略，且擴散方向是隨機的，若實驗數據經過線性擬合后是一條經過原點的直線，表明內擴散是控制吸附步驟的關鍵因素，內擴散系數是常數，內擴散速率僅取決于濃度梯度。

3.2 吸附熱力學

吸附熱力學用于研究污泥生物炭與污染物之間的相互作用力、吸附位點、吸附平衡常數等。吸附熱力學參數包含吉布斯自由能、焓變和熵變。吉布斯自由能用于評估吸附過程的可能性和可行性，當吉布斯自由能為負時，表明吸附過程是自發的，而吉布斯自由能絕對值的增加則表示吸附過程的可行性更高。焓變用來表示吸附過程中的能量變化，正值表示吸附是一個吸熱過程，負值則表示吸附是放熱過程。熵變則揭示了重金屬離子與生物炭結合界面的無序度變化，正的熵變表示界面的無序度增加，負的熵變則表示界面的無序度減小[34-36]。

吸附等溫線是用來描述吸附劑與吸附物質之間吸附行為的曲線。當污泥生物炭吸附劑與重金屬離子溶液充分接觸后，溶液濃度會逐漸達到動態平衡。在一定溫度和pH條件下，吸附平衡時溶液中離子濃度與被吸附離子量之間存在一種數學關系，即吸附平衡等溫線。通過實驗測量不同吸附劑上吸附物質的吸附量，并在相應的濃度范圍內繪制吸附等溫線，可以研究吸附現象的特性和行為過程及評估吸附劑的吸附能力和選擇性。吸附等溫線可以提供吸附過程中各種參數的信息，包括吸附平衡、吸附速率和吸附容量等[37]。Langmuir模型最初是用于描述氣體在活性炭表面的吸附行為的理想模型，該模型假設吸附過程是單分子層吸附，吸附劑表面均勻，吸附達到動態平衡，吸附分子之間沒有相互作用。它能夠有效描述均勻吸附過程，并計算出最大單分子層的吸附量。Freundlich模型則是一種經驗性模型，最早用于描述非理想和可逆吸附過程，該模型假設吸附劑表面可發生多種分子層吸附，并且表面吸附位點的分布是不均勻的，在吸附過程中，吸附質優先選擇最強的吸附位點進行吸附[38]。Sips模型是一種描述非均勻吸附過程的三參數等溫吸附模型它融合了Langmuir和Freundlich方程的特點。該模型具有較高的適用性，可相對準確地描述吸附量隨著重金屬離子濃度增加而變化的情況。需要注意的是，模型的參數會受到實驗條件如pH、溫度、離子濃度等因素的影響[39]。

4結束語

污泥熱解制備生物炭已成為當前實現污泥資源化利用的重要途徑之一，污泥生物炭作為一種新型材料，具有吸附效率高、來源廣泛等特點，在重金屬廢水處理領域顯示了廣闊的應用前景。然而，污泥生物炭的實際生產和應用仍存在較大發展潛力和空間，為使污泥生物炭能夠高效發揮低碳、安全、環保等效能，需注意以下存在的問題并進行針對性研究。

1)污泥原料成分復雜，污泥生物炭本身可能含有有害物質，而污泥生物炭與目標化合物之間發生表面反應可能導致潛在有害物質的釋放，從而對生態環境帶來風險[40]；其次，污泥生物炭可能生成自由基，引發對水生植物具有毒害作用的活性氧釋放到水中，從而產生抑制水生植物生長和影響水生植物健康的生態環境問題。因此，在今后的研究中應詳細監測和研究污泥生物炭有害物質的釋放、自由基的生成及活性氧的釋放，以了解和控制它們對水生生態系統的潛在風險[41-42]。

2）目前大部分污泥生物炭吸附重金屬離子的研究都采用單一離子吸附的實驗條件，而實際廢水中通常包含多種共存污染物，例如多種重金屬離子、有機物或非金屬陰離子。由于各種離子之間會存在競爭吸附關系，有機物也可能對重金屬離子的吸附產生影響，導致實驗研究結果與實際廢水處理之間存在一定的差異。因此后續應有針對性地開展面向實際廢水的重金屬吸附實驗，并從實驗和理論兩方面研究重金屬離子之間及重金屬離子與其他污染物質之間的吸附競爭機制，以進一步推動污泥生物炭吸附劑的商業化應用。

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Study on Adsorption Mechanism and Influencing Factors of Heavy Metals by Sludge Biochar

SHAOWei，MENGDuo，LIUWei (LiaoningUniversityof Technology， JinzhouLiaoning121ooo， China)

Abstract:Sludgebiocharisakindofsolidparticlesofsudgeafter pyolysis，whichcaneffectivelyadsorbandremoveheavymetal elements in wastewater，and has thedualroleofrealizing sludge resourceutilizationand reducing heavymetal polution in water environment.Inoder toimproethadsoptioandremoalefectofeavymetals，itisextremelyimportantadncessarytoeploe the mechanism ofadsorptionofheavy metals bysludge biocharandoptimize the adsorptionenvironmentalconditions.Inthispaper， basedonliteratureresearchandanalysis，teadsorptionefectandmechanismofsludge biocharonheavy metalions weresummaried. The main factorsafectingtheadsorptionperformanceofsudgebiocarwerediscussd，andtethemodyamicandkinetictories and methods involved inthe studyofsludge biochar adsorptionof heavymetals weredescribed.Thenthe existing problems and research trends in sludge biochar adsorption of heavy metals were summarized.

Key words: Sludge biochar; Heavy metal; Adsorption; Adsorption mechanism