改性水热炭对铅的吸附模型及机理分析

夏 宇，杨天学，朱能敏，李 东，陈则良，郎乾乾，刘振刚，焦文涛

（1.中国科学院生态环境研究中心 固体废弃物处理与资源化实验室，北京100085；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；4.中国环境科学研究院 环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012；5.农业农村部沼气科学研究所 农村可再生能源开发利用重点实验室，四川 成都 610041）

译者：夏 宇；审查：缪 巍；单位：中国城市建设研究院有限公司

1 研究亮点

*提供了一种过氧化氢与超声协同改性方法及一种吸附机理的定量分析方法。

2 背景

因来源广泛、价格低廉、制备简单，生物炭常被应用于碳封存、土壤改良、水处理以及环境修复等环境领域。水热炭化是制备生物炭的重要方式之一。相比于其他类型的生物炭，水热型生物炭（简称水热炭）表面具有更丰富的极性含氧官能团，在水体污染治理方面具有重大优势。近年来，关于水热炭水环境污染治理的研究大多局限于对原生材料的研究，对于水热炭改性和吸附强化的研究较少，且目前尚缺乏水热炭对水体重金属吸附的深入机理研究。因此，本研究采用经济高效的过氧化氢与超声协同法制备吸附强化的改性水热炭材料，并结合吸附实验数据、化学分析方法和多种光谱技术，从量化层面揭示其对铅的吸附作用机制。

3 研究方法

以松木木屑为原料，通过水热炭化法制得原生水热炭，再以原生水热炭为原料，通过过氧化氢和超声协同处理进一步制得改性水热炭。采用Langmiur、Freundlich、Temkin 吸附等温线模型以及pseudo-firstorder、pseudo-second-order 吸附动力学模型对水热炭吸附铅进行拟合，研究吸附本质规律，作为支撑吸附机理分析的重要依据。同时，通过模型拟合计算出吸附平衡时间及吸附效能等重要物理参数。结合吸附前后水热炭的基团结构、晶相结构、化学结合态，以及液相中可交换离子浓度、铅离子形态等变化情况，揭示水热炭对铅的吸附作用机制。最后，通过官能团屏蔽实验确认各吸附作用力对铅吸附贡献的量化占比。

4 主要研究结果

过氧化氢与超声协同处理极大地增加了水热炭中极性含氧官能团数量，羧基、内酯基和酚羟基的含量分别提升了3.4 倍、2.1 倍和2.0 倍。相比于原生水热炭，改性水热炭的吸附能力提升了42 倍。

通过对比吸附前后液相与水热炭变化情况，发现液相中可交换离子与吸附不存在相关性，吸附全过程中铅始终以二价形态存在，吸附后没有铅的新晶像物生成，但存在铅氧结合的新配合物。同时结合红外光谱数据和O1s能谱数据，分析得出水热炭对铅的吸附作用机制主要为羧基、羟基、共轭π 电子的配位结合作用。通过将羧基、羟基等基团屏蔽之后重新测定屏蔽后水热炭对铅的吸附能力，进一步得出羧基、羟基以及铅-π 非键作用力贡献占比分别为62.12%、27.14%和10.74%。

5 结论与展望

本研究提供的过氧化氢与超声协同改性方法，相比于其他热处理法、元素掺杂法、接枝改性法等，具有操作简便、经济高效且不产生二次污染等特点。该方法有效活化了水热炭，极大地增强了其对于铅的吸附去除能力，制得的改性水热炭作为潜在水体重金属吸附剂具有良好的应用前景。本研究提供的吸附机理分析方法，实现了吸附机理研究从定性到定量的跨越，可为广大科研工作者提供参考。