关于改性丝瓜（Trichosanthes Kirilowii Maxim.）藤生物炭对重金属铅和镉吸附性能的研究

通过梯度热解（300、500、700℃）制备的菟丝子藤磷酸酸化改性生物炭（MBC）对Pb2?和Cd2?表现出显著吸附性能，其中MBC700对Pb2?去除率达88.52%，吸附容量126.11 mg·g?1，且在复杂水质和多次再生后仍保持高效稳定。研究揭示了热解温度调控孔隙结构及表面官能团对重金属吸附的影响机制，证实化学吸附为主，并验证再生性能。

　　

郝超|季琪|柳阳和|范斌蒙|赵吉凯

安徽科技大学资源与环境学院，凤阳233100，中国

摘要

鉴于对重金属铅（Pb）和镉（Cd）污染治理的需求以及传统技术的局限性，生物炭具有应用潜力，但其原始性能尚不足以满足需求。可以利用丝瓜（Trichosanthes kirilowii Maxim.）藤蔓进行回收，并通过磷酸改性来增强其吸附能力。然而，不同热解温度下由丝瓜藤蔓制成的改性生物炭对铅离子（Pb²⁺）和镉离子（Cd²⁺）的吸附特性和机制，以及其在复杂水环境中的稳定性和再生性能仍不清楚。这些关键科学问题亟需解决。为了制备改性生物炭（MBC），以农业废弃物丝瓜藤蔓为原料，首先将其浸泡在1 mol/L的磷酸中预处理，然后在300 ℃、500 ℃和700 ℃下进行热解。对MBC进行了系统表征，并通过批量吸附实验进一步验证了其对铅离子和镉离子的吸附能力。结果表明，热解温度显著影响MBC的吸附性能，其中在700 ℃下热解得到的MBC700表现出最佳吸附效果，其对铅离子的去除率和最大吸附容量分别达到88.52 mg·g^-1和126.11 mg·g^-1，而对镉离子的去除率和最大吸附容量分别为27.76 mg·g^-1和46.25 mg·g^-1。吸附动力学和等温线分析表明该过程符合伪二级动力学模型和Freundlich模型，说明化学吸附起主导作用。此外，MBC700在高离子强度和共存离子条件下仍保持稳定的吸附性能；经过三次再生循环后，其对铅离子的去除率仍达到53.88%，而MBC300的镉离子去除率仅为7.78%。本研究证明，磷酸改性的生物炭具有良好的铅离子去除性能，并且在多次再生循环后仍能保持优异的吸附能力，为生物炭的功能扩展提供了科学依据。

引言

随着工业化和城市化的加速，重金属污染已成为中国严重的环境问题之一[1]。铅（Pb）和镉（Cd）由于其高毒性、长生物半衰期、不可生物降解性和易于在生物体内积累的特性，对生态环境和人类健康构成重大威胁[2]。目前，重金属处理的主要方法是化学沉淀法，通过添加沉淀剂形成沉淀物来去除铅离子。然而，这种方法容易产生化学污泥，且出水难以达到严格的排放标准[3]。离子交换法通过树脂与离子之间的交换反应去除重金属离子，具有较高的去除效率，但树脂成本较高且再生过程复杂[4]。膜分离技术利用半透膜的选择性渗透性分离重金属离子，处理效果优异，但膜组件价格昂贵且运行过程中容易发生污染[5]。生物修复依靠微生物或植物的代谢活动去除重金属，具有环境友好性，但修复周期较长且受环境条件影响较大[6]。这些方法各有优势，但也存在成本高、二次污染风险或处理效率有限等问题。

作为一种环保的功能性材料，生物炭具有丰富的多孔结构、较大的比表面积和丰富的表面官能团，可用于从水中吸附和去除重金属[7]。现有研究表明，原始生物炭的金属吸附能力较低，例如玉米秸秆生物炭对铅离子和镉离子的最大吸附容量分别为81.47 mg·g^-1和17.59 mg·g^-1[8]；700 ℃下制备的稻壳生物炭对镉离子和铅离子的最大吸附容量仅为9.22 mg·g^-1和38.69 mg·g^-1[9]；相同温度下炭化的竹炭对铜离子和镉离子的吸附容量更低，分别为2.56 mg·g^-1和4.01 mg·g^-1[10]。这类生物炭也存在缺陷，如表面活性位点不足、在复杂水介质中对重金属的吸附选择性差、抗离子干扰能力弱，无法满足高级重金属处理的要求。改性处理已被证明能有效提升生物炭的吸附性能。多项研究表明，铁钾盐改性的鸡粪生物炭能有效处理复合废水[11]，精氨酸改性的玉米秸秆生物炭对重金属具有优异的选择性吸附能力[12]，硅改性的氮掺杂莲叶生物炭表现出明确的吸附机制和资源利用潜力[13]。值得注意的是，基于黏土-聚合物的新型吸附剂也表现出优越的性能，例如聚丙烯酰胺/膨润土水凝胶纳米复合材料对铅离子和镉离子的吸附能力明显高于大多数原始生物炭[14]。相关综述指出，这类黏土-聚合物纳米复合材料由于成本低、效率高，已成为去除水污染物的有效手段[15]，为生物炭的复合改性提供了新的思路。丝瓜藤蔓作为一种典型的农业废弃物，具有不可替代的优势，来源广泛且成本低廉。利用它们制备生物炭可以进一步实现废弃物的高值化利用，支持可持续资源利用。与强碱、无机强酸、金属盐改性及简单热改性相比，磷酸改性具有安全性、简便性和高效性的优点。制备的材料具有均匀的中孔分布和丰富的表面酸性官能团，对重金属具有强吸附选择性和抗干扰能力，且无二次污染风险。鉴于其广泛的原料适应性和低成本，其在重金属废水处理和农业、林业废弃物资源化利用中具有显著的应用潜力[16]。综上所述，本研究利用农业废弃物丝瓜藤蔓通过梯度热解制备了磷酸改性生物炭，系统研究了不同热解温度下其对铅离子和镉离子的吸附行为，评估了材料在复杂水环境中的稳定性和再生性能，并阐明了MBC700对铅离子的高效吸附机制。这些发现为功能性生物炭在重金属治理中的应用提供了新的材料见解和理论支持。

仪器与试剂

丝瓜藤蔓生物质原料由凤阳县大庙镇东岭村的玉罗丝瓜种植园提供。经过去离子水洗涤、干燥、粉碎和100目筛分后储存，以备后续使用。

铅离子（Pb²⁺）和镉离子（Cd²⁺的标准溶液购自国家有色金属与电子材料分析测试中心。所用试剂包括硝酸铅等。

微观形态分析

如图2所示，热解温度是调节生物炭微观结构和重金属吸附行为的关键因素，对未吸附重金属的生物炭微观结构也有显著影响。具体而言，MBC300的孔隙丰富但无序，这是因为在低温下生物质热解不完全——孔隙的形成依赖于原料本身，缺乏足够的能量进行有序排列；MBC500的孔隙清晰有序，因为适中的热解温度促进了孔隙的形成。

结论

本研究以农业废弃物丝瓜藤蔓为原料，研究了不同热解温度下磷酸改性生物炭的特性及其对铅离子（Pb²⁺）和镉离子（Cd²⁺的吸附性能及影响因素（吸附容量、pH值、吸附动力学、等温线、离子强度、共存离子、再生能力）。结果表明，热解温度影响生物炭的结构，高温下热解得到的MBC700

作者贡献声明

赵吉凯：撰写 – 审稿与编辑。郝超：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、概念构建。季琪：撰写 – 审稿与编辑。范斌蒙：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、概念构建。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了安徽省大学生创新创业培训计划[项目编号202410879099]、安徽省教育厅[项目编号2024AH050323, 2024cxcyjs038]和安徽科技大学[项目编号200341, XK-XJGY001]的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。