油料作物秸秆生物炭对水体中铅离子的吸附特性与机制

张连科，刘心宇，王维大，李玉梅，孙 鹏，尚少鹏※，姜庆宏



油料作物秸秆生物炭对水体中铅离子的吸附特性与机制

张连科1,2，刘心宇1，王维大1，李玉梅1，孙 鹏1，尚少鹏1※，姜庆宏1

（1. 内蒙古科技大学能源与环境学院，包头 014010； 2. 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055）

为探索利用废弃生物质资源制备生物炭去除水体中Pb2+污染的可行性，以农业废弃物胡麻秸秆和油菜秸秆为原材料，采用限氧裂解法在700℃条件下制备油菜秸秆（rape straw）生物炭和胡麻秸秆（flax straw）生物炭，通过2种生物炭对Pb2+的批量吸附试验，利用4种吸附动力学模型（拟一级动力学、拟二级动力学、Elovich模型和颗粒内扩散模型）和4种等温吸附模型（Langmuir、Freundlich、Temkin和D-R模型）研究了胡麻和油菜秸秆生物炭对Pb2+的吸附行为。同时，通过（brunauer emmett teller, BET）比表面积和孔径分析、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段对生物炭的结构和性质进行了表征，初步探讨了2种生物炭对Pb2+的吸附机制。结果表明，胡麻和油菜秸秆生物炭分别在4 h和10 h达到吸附平衡，理论最大吸附量分别达到220.07和307.59 mg/g；2种生物炭对Pb2+的吸附符合拟二级动力学模型，吸附等温线符合Langmuir等温吸附模型，表明其吸附过程为单分子层吸附；2种生物炭对Pb2+的吸附作用为物理-化学复合过程，吸附机制主要包括静电作用、离子/配体交换、阳离子–π作用。研究结果可为油料作物秸秆的资源化利用和生物炭对水中重金属污染防治提供理论依据。

生物炭；重金属；吸附；铅

0 引 言

近年来，随着中国工业化、城市化的迅猛发展，不合理的重金属开采与冶炼，不恰当的污染物排放与处置（生活污水和固体废物等）以及大气沉降等因素致使大量重金属进入土壤和水体环境，在环境中不断富集，严重危害到人类健康和生态环境安全[1]。据调查，中国受到重金属污染的耕地有2 000万hm2之多，大约占总耕地面积的1/5；全国60%地下水受到不同程度污染[2]。铅是当今对人类健康威胁最大的十大类污染物质之一，在水体和土壤中的铅具有富集性，难以被生物降解，并沿食物链传递，进而危害人体健康[3]。吸附法因其操作简单、有效、经济、可再生等优点被认为是去除环境重金属较好的方法[4]。近年来，利用原料来源广泛、成本低廉、具有较高环境稳定性的生物炭吸附污染物受到广大学者的青睐[5-6]。

生物炭（biochar）是生物质在限氧条件下热解产生的富碳物质[7]。生物炭作为吸附剂具有廉价和高效等特点而被广泛应用于重金属[8-9]和有机污染废水处理[10]，这些研究表明，生物炭对污染物尤其对重金属具有良好的吸附性能。目前，重金属吸附研究中，制备生物炭的原料主要包括秸秆[9,11-12]、家畜粪便[8]、污泥[13]等原料，而不同原料制备的生物炭表面结构、理化性质等存在很大的差异，而这些性质是影响生物炭吸附性能的控制因素，使其对污染物的吸附性能存在较大差别[14-15]。林宁等[11]以水稻秸秆、小麦秸秆、荔枝树枝为原料，在600℃下制备的生物炭对Pb2+的最大吸附量分别为132.54、136.23、159.25 mg/g。徐楠楠等[16]用玉米秸秆制备生物炭，在常温下约40 min即可达到吸附平衡，对Pb2+的吸附量为23.51 mg/g。由此可见，不同原料制备的生物炭对吸附性能的影响。研究表明，秸秆生物炭对重金属的吸附性能优于禽蓄粪便和木材生物炭。胡麻和油菜是内蒙古地区传统的油料作物，耐寒抗旱，产量稳定，经济效益好，在当地被广泛种植[17]。而大量的胡麻和油菜秸秆被弃置或焚烧造成了较为严重的资源浪费和环境污染。因此，以油料作物秸秆为原料制备生物炭，用于处理重金属污染水体和土壤修复是其资源化利用的有效途径之一，同时可以减少对环境的影响，具有重要的实践意义。

基于以上问题，本研究以胡麻和油菜2种油料作物秸秆为原料，采用慢速热解法[17]于700℃下制备生物炭，利用（brunauer emmett teller，BET）比表面积和孔径分析、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征手段对吸附前后的样品结构形态进行表征分析，结合批量吸附试验，探究其对水溶液中铅的吸附特性和机制，对试验数据进行等温吸附模型和吸附动力学模型拟合，反映吸附特性，阐述其吸附机理。以期为油料作物秸秆的资源利用、重金属污染防治及土壤修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 生物炭的制备与表征

胡麻秸秆和油菜秸秆均取自包头周边农村，将其洗净、自然风干、粉碎过100目筛后装袋备用。将2种原料粉末置于刚玉坩埚中，放入GWL-1 700 GA型管式电炉，以氮气为保护气，以5℃/min的升温速率升温至700℃，热解4 h，自然冷却至室温后取出，过100目筛，所得材料即为试验所用生物炭，装袋备用。为了叙述方便，胡麻秸秆生物炭命名为FS，油菜秸秆生物炭命名为RS。2种生物炭的基本理化性质见表1。

表1 生物炭的基本理化性质

注：RS为油菜秸秆生物炭，FS为胡麻秸秆生物炭，下同

Note: RS and FS are biochars derived from rape straw and flax straw respectively, the same below.

生物炭的比表面积、孔径、孔体积采用3H-2000PS型比表面积及孔径分布测定仪（BET）（北京贝士德仪器科技有限公司）测定（试验条件：饱和蒸汽压：0.911 3 bar，脱气系统温度范围为20～200℃，吸附气体为氮气）。采用日立S-3400N型扫描电子显微镜（SEM）观察生物炭的形貌特征。矿物相组分分析采用BRUKERD8AA25型X-射线衍射仪（XRD），试验测试范围为2=5°～75°，扫描速度为5º/min，电流为30 mA，电压为40 kV。生物炭的表面官能团采用德国Bruker TENSORⅡ型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）进行KBr压片法测定，波数范围为4 000～400 cm–1,分辨率2 cm–1。

1.2 吸附试验

准确称取各试验所需用量的生物炭于150 ml锥形瓶，分别加入40 mL一定浓度的Pb2+溶液，所有溶液均加入0.01 mol/L的NaNO3作为背景电解质。将溶液放入恒温振荡器中，25℃下以150 r/min振荡一定时间，0.45m过滤后清液用于分析Pb2+浓度。每个处理设置3个平行样和空白对照。经空白对照试验，生物炭在去离子水中振荡足够时间后，溶液中Pb2+浓度未检出，表明生物炭中无明显Pb2+的释放，对实验结果无影响。采用原子分光光度计（美国PE Analyst 800型）测定滤液中Pb2+浓度。计算吸附量。

1）pH影响试验。Pb2+溶液初始浓度为800 mg/L，生物炭投加量为0.120 0 g，用0.1 mol/L HNO3或NaOH调节溶液pH值为3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0，吸附48 h后，测定溶液中Pb2+的剩余浓度。

2）投加量影响试验。Pb2+溶液初始浓度为800 mg/L，用0.1 mol/L HNO3或 NaOH调节溶液pH值为5.5±0.05，生物炭投加量设置为0.04、0.08、0.12、0.16、2.00 g，即1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 g/L，吸附时间48 h。

3）吸附动力学试验。Pb2+溶液初始浓度为800 mg/L，用0.1 mol/L HNO3或 NaOH调节溶液pH值为5.5±0.05，在10～2 880 min内设置14次取样。

4）等温吸附试验。Pb2+溶液初始浓度分别设为100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 mg/L，用0.1 mol/L HNO3或 NaOH调节溶液pH值为5.5±0.05，吸附时间为10 h。

试验所用试剂Pb2（NO3）和NaNO3均为分析纯，Pb2+标准液由国家标准物质中心提供，试验用水均为去离子水。

1.3 分析模型

1.3.1 吸附动力学模型

吸附动力学是用吸附量随吸附时间的变化曲线关系表示吸附反应过程，变化曲线揭示了吸附质在吸附剂和溶液间分配规律。本试验采用以下4种动力学模型对生物炭吸附Pb2+的吸附动力学数据进行拟合。

拟一级动力学模型

拟二级动力学模型

Elovich 模型

颗粒内扩散模型

1.3.2 等温吸附模型

吸附等温线采用Langmuir、Freundlich、Temkin和Dubinin-Radushkevich（D-R）等温吸附模型对试验数据进行拟合。

Langmuir吸附模型

Freundlich吸附模型

Temkin吸附模型

Dubinin-Radushkevich（D-R）吸附模型

2 结果与分析

2.1 溶液pH值对Pb2+吸附的影响

溶液pH值是影响重金属离子吸附的重要因素之一。当pH值＞6时，溶液中Pb2+会与OH-反应产生沉淀，因此本试验研究了3.0～6.0范围的pH值对吸附的影响。如图1所示，在相同pH值下，RS对Pb2+的去除率均高于FS，当pH值为3.0～5.5时，RS和FS对Pb2+的去除率均随pH值的增加呈上升趋势，但当pH值大于5.5后，RS和FS对Pb2+的去除率基本不变。

图1 pH值对生物炭Pb2+吸附的影响

pH值较低时，溶液中H+、Pb2+和[Pb(H2O)6]2+之间对吸附位点存在较强烈的竞争，不利于Pb2+吸附在生物炭表面[18]，这与丁文川等[13, 18]的研究结果类似。另外，pH值较低时，生物炭中较难溶的晶体矿物溶解增加，会释放出大量的阳离子（K+、Ca2+、Mg2+等），也与Pb2+竞争生物炭表面的吸附点位[11]。溶液pH值增加能够加快生物炭表面的去质子化进程，创造出更多的负电点位来提高Pb2+的去除率[19]，同时K+、Ca2+和Mg2+等阳离子的释放减少，其与Pb2+的竞争吸附减弱，从而增强了对Pb2+的吸附。随着pH值的增大，溶液中Pb2+的存在形态发生变化，水合结构中的H2O逐步被OH-取代，Pb2+和[Pb(H2O)6]2+逐步转化成氢氧络离子形态（[Pb(OH)6]4-），即增加溶液的pH值，可以降低H+与Pb2+对吸附位点的竞争，致使去除率提高。pH值较高即大于5.5时，Pb2+主要结合生成Pb(OH)2等沉淀，溶液中自由Pb2+离子逐渐减少，实际吸附量逐渐下降[18]。经试验测定，在初始pH值为3.0～4.5时，吸附后溶液的平衡pH值均略高于初始pH值，这是由于2种生物炭本身pH值呈碱性（由表1可知，2种生物炭pH值分别为10.34和9.52）所致。在初始pH值为5.0～6.0时，吸附后溶液的平衡pH值均稍低于初始pH值，这是由于生物炭本身的酸度使得溶液具有较强的缓冲能力，秦婷婷等[18]也得出相似的结果。基于以上分析，RS和FS的最佳吸附pH值为5.5左右。

2.2 生物炭投加量对Pb2+吸附的影响

RS和FS投加量与Pb2+的去除率和单位吸附量的关系如图2所示，两者表现出的趋势大体一致，投加量由1 g/L增加到3 g/L，2种生物炭对Pb2+的去除率急剧增加，同时单位吸附剂上的吸附量也随之增加；而后，再增加投加量，由3 g/L增加到5 g/L，生物炭对Pb2+的去除率增加缓慢，而单位吸附量反而减小。这主要是因为RS和FS投加量增加时，其吸附点位和比表面积均增加，因此生物炭对Pb2+的去除率随着投加量的增加而显著增大。但是生物炭投加量继续增加，Pb2+在溶液中的平衡浓度相对降低，根据吸附平衡规律，Pb2+的去除率增加缓慢，而单位吸附量减小。随着生物炭投加量的增加，释放到溶液中的Ca2+、Mg2+等阳离子也随之增多，导致溶液中阳离子与Pb2+的竞争作用不断增大，也是导致单位吸附量降低的原因。另外，本试验的初始pH值为5.5，根据上述溶液pH值对Pb2+吸附的影响分析可知，在此pH值条件下，吸附后溶液的平衡pH值低于初始pH值，因此随着生物炭投加量的增加，平衡pH值较初始pH值下降幅度增大，也会导致单位吸附量降低。基于以上分析，RS和FS投加量为3 g/L时，单位吸附量达到最大，去除率增加趋缓，综合考虑，实际生物炭的最佳投加量为3 g/L。

图2 RS和FS投加量对Pb2+吸附的影响

2.3 2种生物炭对Pb2+的吸附动力学过程

2种油料作物秸秆生物炭对Pb2+的吸附动力学过程如图3所示。RS和FS对Pb2+的吸附均呈先快后慢的趋势。RS的吸附较快，在开始吸附的10 min，吸附量已达到了饱和吸附量的73.29%，随后吸附量增幅降低，在 30 min时达到了96.68%，240 min (4 h)时趋于吸附平衡。FS对Pb2+的吸附较慢，吸附10 min时，吸附量仅为饱和吸附量的23.05%，之后吸附量随吸附时间的延长而不断增大，直到600 min (10 h)时，达到吸附平衡。吸附量在吸附初期增加较快，这和Pb2+在水-生物炭两相最初的浓度差引起的传质驱动力以及生物炭表面的吸附位点有关。吸附初期时，Pb2+浓度最大，传质驱动力大，吸附速率因此较大。随着吸附时间的增加，Pb2+浓度差迅速减小，生物炭表面的吸附位点基本饱和，生物炭颗粒内扩散作用减弱，吸附速率减小且吸附容量趋于饱和。安增莉等[20]研究水稻秸秆生物炭对Pb2+的吸附也得到了相同的结果。

注：qe为平衡吸附量，mg/g；qt为t时刻的吸附量，mg/g，下同。

表2 生物炭对Pb2+吸附动力学模型参数拟合

注：1为拟一级吸附速率常数；2为拟二级吸附速率常数；、为Elovich常数；3是颗粒内扩散速率常数；是边界层常数。

Note:1is pseudo first order adsorption rate constant;2is pseudo second-order adsorption rate constant;、are Elovich constant;3intraparticle diffusion model adsorption rate constant;is boundary layer constant.

2.4 2种生物炭对Pb2+的等温吸附过程

2种生物炭对Pb2+的吸附等温线如图4所示。由图可知，在初始Pb2+浓度为100～600 mg/L，即吸附平衡浓度在0.127～20.75 mg/L范围时，FS和RS吸附量均随Pb2+浓度的增加呈直线快速增大，由33.29 mg/g增加到193.08 mg/g；在初始Pb2+浓度为700～1 000 mg/L时，吸附平衡浓度从58.65 mg/L增加到281.60 mg/L，而吸附量仅从213.78 mg/g增加到239.47 mg/g，最后达到吸附平衡。这是因为，当Pb2+浓度较低时，生物炭可提供足够的吸附点位和活性基团，随Pb2+起始浓度的升高，Pb2+与生物炭表面接触的机会增加，更有利于吸附剂活性位点和表面官能团对Pb2+的吸附。但一定量的生物炭提供的接触面积和活性位点是定量的，浓度增加到一定程度，吸附位点已被充分利用，吸附逐渐达到饱和。

对比FS和RS的吸附过程，在达到吸附平衡前，2种生物炭吸附量均快速增长，在相同平衡浓度时，RS较FS的吸附速率更快。最终饱和吸附量比较，RS(265.00 mg/g)大于FS(214.45 mg/g)。

图4 2种油料作物秸秆生物炭对Pb2+等温吸附曲线

表3 生物炭对Pb2+等温吸附模型拟合参数

注：q是最大吸附量；L是Langmuir吸附平衡常数；F为与吸附剂的饱和吸附量有关的Freundlich 常数；是Freundlich模型常数；为平衡结合常数；是Temkin方程与吸附热有关的系数；0是最大单位吸附量；是吸附自由能。

Note:qis the maximum adsorption quantity;Lis Langmuir adsorption equilibrium constant;Fis the Freundlich constant related to the saturated adsorption of adsorbent.is the Freundlich model constant;is the equilibrium binding constant;is the coefficient of the Temkin equation relating to the adsorption heat;0is the maximum unit adsorption;is the adsorption free energy.

3 吸附机理及效果分析

3.1 2种生物炭对Pb2+的吸附机制

生物炭对重金属离子的吸附主要包括物理和化学2种吸附作用，其中物理吸附主要是由于生物炭具有较大的比表面积，可以提供足够的吸附点位，且通常生物炭表面具有较大的电负性，重金属离子通过静电作用吸附在生物炭表面；化学吸附主要由于生物炭表面具有丰富的官能团，促使重金属离子与其发生金属/配体的离子交换及沉淀或络合作用。从以上吸附动力学及等温吸附试验可见，2种油料作物生物炭对铅离子的吸附既有物理吸附作用，也包括化学吸附作用。现从物理和化学2个角度，结合生物炭的表面特性、微观形貌、FTIR和XRD表征结果对其进行分析。

从物理角度分析，见表4，FS和RS表面特性对比可见，FS的BET比表面积（172.61 m2/g）大于RS（84.44 m2/g）。韩旸等[26]研究表明，生物炭粒径越小，比表面积越大。FS粒径（3.05 nm）小于RS（8.64 nm），相互印证。表明FS可以提供更多的吸附点位，但由试验结果可知RS对Pb2+的吸附量高于FS，由此可见，生物炭对铅离子的吸附能力与其比表面积不成正比，对重金属的吸附作用可能还与其表面官能团等化学性质有关。RS比FS具有更大的孔体积和孔径，使其对Pb2+具有更快的吸附速率，较大的孔径减少了颗粒内扩散阻力。

表4 FS和RS表面特性对比

扫描电镜通常用于观察样品表面微观形貌，其中的背散射电子(BSE)主要反应样品表面成分特征。通过图5，FS和RS吸附Pb2+前后的BSE图像可以看出，FS和RS均具有良好的孔隙结构，孔隙丰富且较为有序，呈蜂窝状，有利于重金属离子的吸附。分别比较2种生物炭吸附Pb2+前后图像可以发现，吸附Pb2+后，大量的小颗粒团聚物（图5 b、d中白色颗粒）附着在生物炭表面及孔内，表明Pb2+在FS和RS 2种生物炭上发生了吸附作用。

从化学角度来看，由图6中2种生物炭吸附Pb2+前后FTIR谱图对比可见，RS和FS具有CO32–(675～750、835～886 cm–1)、仲醇（1 017 cm–1）、C-C键（1 437 cm–1）、-COOH或内酯基中C=O键（1 578 cm–1）、C=C键（1 687 cm–1）、-CH2–（2 800～3 000 cm–1）、-OH（3 307 cm–1）等基团[13]，表明2种生物炭表面官能团丰富。定性来看，FS和RS出峰位置大致相同，峰曲线相似，表明其所含官能团基本一致，但对应位置峰高不同，表明各官能团含量相差较大。吸附Pb2+后，FS和RS官能团发生明显变化，首先，-OH（3 307、1 017 cm–1）在吸附重金属时可以提供氢键作用，2种生物炭在吸附Pb2+后-OH基峰减弱，说明Pb2+占据-OH，表明离子/配体交换存在于生物炭吸附Pb2+过程中[27]。其次，C=C键等基团的振动峰也有较明显的变化，说明C=C键提供的π电子与重金属形成稳定结构，可以判定阳离子–π键作用存在于2种油料作物生物炭吸附Pb2+的过程中，这与谢超然等[1]的研究结果一致。最后，CO32–在吸附Pb2+后有明显上升，表明在Pb2+吸附过程中形成了碳酸盐沉淀。蒋艳艳等[28]和Tan等[29]也认为生物炭吸附重金属的机理主要有表面离子交换、重金属离子与官能团的化学交联、表面沉淀及阳离子–π作用，并且认为阳离子–π作用本质较为复杂，有一定静电作用的成分。李力等[30]认为离子交换本质上也属于静电作用，从吸附力角度认为静电吸附主要由库仑力引起，偏向于物理吸附作用。这也正好说明了前文D-R等温吸附模型中平均吸附能低于8 kJ/mol，吸附过程主要是物理吸附的主要原因。

图5 FS和RS吸附Pb2+前后的 (BSE)图像

图6 FS和RS吸附Pb2+前后的FTIR谱图对比

对FS和RS吸附Pb2+后进行XRD分析，如图7所示。FS和RS吸附铅离子后均有PbCO3和Pb3(CO3)2(OH)2生成。由此表明，Pb2+被吸附后进一步转化成了新的矿物相吸附在生物炭表面。戴静等[31]比较了700℃下烧制的木屑、米糠、稻杆、玉米秸杆为原料的4种生物炭对铅的吸附效果，得到相同的结果。

综上，从物理和化学2个角度对2种油料作物秸秆生物炭对铅离子吸附作用的分析认为，RS和FS对Pb2+的吸附作用为物理-化学复合过程，吸附机制主要包括静电作用、离子/配体交换、阳离子–π作用及沉淀作用等。

注：1：PbCO3,2：Pb3(CO3)2(OH)2。

3.2 2种生物炭对Pb2+的吸附能力

统计整理其他研究者关于不同原料制备的生物炭对Pb2+的吸附相关报道，结果见表5。通过吸附平衡时间的对比发现，胡麻和油菜秸秆生物炭吸附Pb2+的平衡时间较短。通过对比不同生物质来源生物炭对Pb2+的吸附性能可见，除了核桃青皮和花椰菜等原料制备的生物炭外，本研究中的胡麻和油菜秸秆生物炭对Pb2+的吸附量较大。由此可见，胡麻和油菜秸秆生物炭对Pb2+的吸附有一定优势，较短的时间内即可达到较高的吸附量，是较具潜力的吸附材料。

表5 不同原料制备的生物炭对Pb2+的吸附能力比较

4 结 论

1）油菜和胡麻秸秆生物炭吸附铅离子的速率较快，分别在4和10 h即可达到吸附平衡，最大吸附量分别可达到307.59 mg/g和220.07 mg/g，与其它生物质原料制备的生物炭对Pb2+的吸附性能相比具有一定优势。油菜和胡麻秸秆生物炭吸附Pb2+的最佳pH值为5.5，最优投加量为3 g/L。

3）油菜秸秆和胡麻秸秆生物炭的BET比表面积分别为84.44 m2/g和172.61 m2/g；SEM显示，2种生物炭孔隙丰富且较为有序；FTIR表明，2种生物炭均含有大量的活性官能团，有利于Pb2+的吸附。

4）2种生物炭对Pb2+的吸附作用为物理-化学复合过程，吸附机制主要包括静电作用、离子/配体交换、阳离子–π作用和沉淀作用。

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Characteristics and mechanism of lead adsorption from aqueous solutions by oil crops straw-derived biochar

Zhang Lianke1,2, Liu Xinyu1, Wang Weida1, Li Yumei1, Sun Peng1, Shang Shaopeng1※, Jiang Qinghong1

(1.014010,; 2.710055,)

In recent years, with the continuous development of economy, heavy metal pollution becomes increasingly serious. Biochar is often obtained from agriculture wastes through pyrolysis, in which the biomass is subjected to thermochemical conversion under an oxygen-limited condition. As a new type of cheap efficient adsorbent, because of the larger specific surface area and high surface energy, and the surface containing rich-oxygen functional groups, biochar has a good application prospect in wastewater treatment, causing great interest for scientist. Flax () and rape (L.) are the typical oil crops, which are kinds of good raw material for producing biochars. However, large amounts of flax straw (FS) and rape straw (RS) are discarded or incinerated directly and cause resource waste and environmental pollution seriously. In order to utilize the waste biomass resources, 2 types of biochars derived from FS and RS were prepared by pyrolyzing at a temperature of 700 ℃ under oxygen-limited condition, and the adsorptions of Pb2+ in aqueous solutions were evaluated. The effects of contact time, initial Pb2+ concentration and initial pH value in batch experiments were investigated by the 4 kinds of adsorption kinetics models (Pseudo first-order, Pseudo second-order, Elovich and Intra-particle diffusion model) and the 4 kinds of isothermal adsorption models (Langmuir, Freundlich, Temkin and D-R model). The structure and properties of biochars were characterized by using Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area and pore size analysis, scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), which were used to preliminarily analyze adsorption mechanism. The results showed that the BET surface areas of RS and FS were 84.44 and 172.61 m2/g, respectively; SEM showed that the surface of 2 kinds of biochars was smooth, and the pore structure was compact and regular; FTIR indicated that the active functional groups such as CO32- (675-750, 835-886 cm–1), secondary alcohol (1 017 cm–1), C-C (1 437 cm–1), -COOH or C=O (1 578 cm–1), C=C (1 687 cm–1), -CH2– (2 800-3 000 cm–1), -OH (3 307 cm–1) were found to be rich on the surfaces of 2 kinds of biochars, and all of the properties were good for Pb2+ adsorption. The XRD patterns suggested that carbonate and basic carbonate containing Pb2+ were present in these biochars after adsorption. The adsorption equilibrium of RS and FS was reached in 4 and 10 h, respectively, and the adsorption capacity of RS and FS reached 307.59 and 220.07 mg/g, respectively. The adsorption kinetics were best fitted by the Pseudo second order model, while the isothermal adsorption was best described by Langmuir isotherm. This indicated that Pb2+ ions were adsorbed onto 2 kinds of biochars via monolayer. The adsorption mechanism for Pb2+ was a complex interaction of physical and chemical factors, mainly including electrostatic interaction, ion exchange/ligand exchange, cationic-π and precipitation. The results obtained show that 2 kinds of oil crop biochars are both excellent adsorbents to Pb2+ in aqueous solution and will provide important information on applying as low cost adsorbents for removal of heavy metals in contaminated water.

biochar; heavy metals; adsorption; lead

张连科，刘心宇，王维大，李玉梅，孙 鹏，尚少鹏，姜庆宏.油料作物秸秆生物炭对水体中铅离子的吸附特性与机制[J].农业工程学报，2018，34(7)：218－226. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.028 http://www.tcsae.org

Zhang Lianke, Liu Xinyu, Wang Weida, Li Yumei, Sun Peng, Shang Shaopeng, Jiang Qinghong. Characteristics and mechanism of lead adsorption from aqueous solutions by oil crops straw-derived biochar[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 218－226. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.028 http://www.tcsae.org

2017-11-20

2018-01-30

内蒙古自治区自然科学基金项目（2016MS0221）；包头市科技计划项目（2016X1021）；内蒙古科技大学产学研合作培育基金项目(2016CXY03)

张连科，博士，副教授，主要从事水土环境污染控制与修复研究。Email：lkzhang@126.com

尚少鹏，副教授，主要从事水土环境污染控制与修复研究。Email：297356651@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.028

X7

A

1002-6819(2018)-07-0218-09