Mg(OH)2的负载与官能团接枝之间的协同效应，显著提升了在镉污染土壤中的修复效率和稳定性

《Journal of Environmental Sciences》：The synergistic effect of Mg(OH)2 loading and functional group grafting contributes to superior remediation efficiency and stability in Cd-contaminated soil

　　

董天|袁雅丽|黄昭旭|孙瑞莲

山东大学环境研究院，中国青岛266237

摘要

镉（Cd）污染对环境和健康构成严重威胁。原始生物炭的吸附能力有限、固定效率低下以及长期效果不佳，限制了其在环境修复中的应用。本研究制备了镁改性生物炭（BMC）、官能团改性生物炭（BNC）和复合改性生物炭（BMNC），并探讨了它们吸附和固定镉的能力及机制。表征分析表明，镁改性增加了生物炭的孔结构，并通过官能团改性增加了官能团的数量，有利于镉（II）的吸附和固定。BNC、BMC和BMNC对镉（II）的吸附符合伪二级动力学和朗缪尔等温线模型。BNC、BMC和BMNC的最大吸附容量分别为127.8 mg/g、1382 mg/g和1417 mg/g。BMNC处理后土壤中的DTPA-Cd含量降低了65.35%，显著高于BNC（28.51%）和BMC（49.27%）处理。连续BCR提取实验表明，BNC和BMNC处理后的土壤中可溶性镉更易转化为残留态。FTIR、XRD和XPS结果表明，离子交换、表面络合、沉淀和静电吸引可能是BMNC吸附和固定镉（II）的主要机制。此外，添加0.5%的BMNC可使白菜生物量增加2.46倍，并降低镉含量89.29%。本研究提供了一种新型复合改性生物炭，能有效去除和固定废水和土壤中的镉（II）。

引言

在快速工业化过程中，大量镉（Cd）通过工业废水排放、气体排放和固体废物进入水和土壤（Fei等人，2022年；Wang等人，2019年）。镉具有高毒性、持久潜伏性和在环境中的生物累积性（Adewumi等人，2023年），通过食物链对环境和人类健康造成严重危害。镉的摄入会对肾脏、呼吸系统、骨骼和生殖系统造成严重损害（Zhou和Li，2022年）。吸附和固定技术被提出作为经济有效的手段来修复受镉污染的环境，从而减轻镉的生态和健康风险（Feng等人，2024年；Kamran等人，2019年）。

生物炭作为一种环保且经济有效的材料，已被广泛用于修复受镉污染的水和土壤（Houssou等人，2022年；Qiu等人，2022年）。栗壳生物炭的最大镉（II）吸附容量为11.11 mg/g（Tian等人，2023年）。玉米秸秆生物炭的镉（II）吸附容量为9.6 mg/g（Sun等人，2023年）。玉米秸秆生物炭也被用于处理受镉污染的土壤，分别使生物可利用镉减少了25%和27.03%（Li等人，2021年；Tang等人，2022年）。然而，原始生物炭对镉的吸附和固定效果通常受到其内在特性的限制，如表面积小和活性位点有限，这限制了其实际应用（Gong等人，2022年）。

镁改性生物炭在废水处理和土壤修复中得到广泛应用，尤其是在重金属污染方面（Gu等人，2024年）。镁改性过程增加了生物炭的比表面积（Zuo等人，2021年），并在其表面负载MgO/Mg(OH)₂，从而通过离子交换和沉淀促进镉（II）的去除（Miao和Li，2021年）。用MgCl₂预处理的稻壳生物炭在450 °C下的镉（II）吸附容量分别增加到98.4 mg/g，在600 °C下增加到97.6 mg/g，并通过减小生物炭的微孔减少了平衡时间（Abolfazli Behrooz等人，2023年）。用MgCl₂处理的鱼鳞制备的负载MgO和N、P的生物炭复合材料通过沉淀和离子交换实现了最大327.2 mg/g的镉（II）吸附容量（Qi等人，2022年）。负载MgO的玉米秸秆生物炭通过MgO和Mg(OH)₂的水解释放出Mg(II)和OH^-，在土壤中应用时最大吸附容量为1058.8 mg/g，通过含氧基团和吸附作用将TCLP可提取镉减少了22.4%（Wang等人，2021b）。用花生壳和MgCl₂制备的镁改性生物炭通过提高土壤pH值，使土壤中生物可利用镉含量降低了26.2%至50.1%，促进了Mg(II)和Cd(II)的共沉淀（Shan等人，2020年）。然而，金属氧化物容易聚集，金属离子可能会渗出，这显著限制了其在土壤修复应用中的长期效果（Li等人，2023a）。

对生物炭表面进行官能团改性可以创造更多的吸附位点，从而提高镉（II）的吸附能力。羟基（-OH）、羧基（-COOH）和氨基（-NH?）官能团可以通过配位键与镉（II）形成稳定的复合物（Yang等人，2022年）。通过胺化/羟基化和引入Fe-Ni纳米颗粒制备的复合材料将镉（II）吸附容量提高到375.58 mg/g，通过促进络合和静电相互作用（Ma等人，2023年）。通过在生物炭表面电化学还原-NO₂为-NH₂，构建了类似α-氨基酸的结构，用于修复酸性镉污染的土壤，实现了80.94%的生物可利用镉去除效率（Li等人，2024年）。研究表明，在氨基改性的MgFe₂O₄生物炭上，镉（II）的吸附主要通过离子交换和-NH₂络合作用实现，分别占总吸附容量的13.17%和81.71%（Li等人，2022年）。因此，将官能团改性与镁改性结合是一种有前景的策略，可以增强对镉污染环境的修复能力。

本研究使用MgCl₂、CH₃COONa和C₂H₇NO对生物炭进行改性，分别得到镁改性生物炭、官能团改性生物炭和复合改性生物炭，分别命名为BMC、BNC和BMNC。本研究旨在：（1）表征改性生物炭材料；（2）研究改性生物炭对镉（II）的吸附特性和机制；（3）评估改性生物炭在镉污染土壤中的修复效果和机制。

部分摘录

实验材料

土壤样本取自中国山东省烟台市的一个受污染农田。大豆秸秆来自河南省濮阳市的一个未受污染农田。实验土壤样本的主要物理化学性质列在附录A表S1中。化学试剂（分析级）具有分析纯度。

改性生物炭的制备

大豆秸秆经过仔细清洗、烘干、粉碎并过100目筛。然后将大豆秸秆粉与...

改性前后生物炭的表征

SEM图像显示，改性前后生物炭的表面形态存在显著差异（图1）。BC的表面相对光滑。镁改性后，BMC的表面明显出现了许多颗粒聚集体。官能团改性导致BNC和BMNC表面形成了片状物质。EDS元素分析显示碳含量分布不均且显著降低...

结论

通过共热解和溶剂热方法制备了镁改性生物炭（BMC）、官能团改性生物炭（BNC）和复合改性生物炭（BMNC）。吸附动力学和等温线实验表明，BNC、BMC和BMNC对镉（II）的吸附属于单层化学吸附。BNC、BMC和BMNC的最大吸附容量分别为127.8 mg/kg、1382 mg/kg和1417 mg/g。结果表明，BMC和BMNC对镉（II）的吸附效果更...

作者贡献声明

董天：概念构思、数据管理、正式分析、实验设计、方法学、软件应用、数据可视化、初稿撰写
袁雅丽：软件应用、正式分析
黄昭旭：数据可视化、软件应用
孙瑞莲：概念构思、监督、撰写修订、资金获取

董天：初稿撰写、数据可视化、软件应用、方法学设计、实验设计、数据管理、概念构思。
袁雅丽：软件应用、正式分析。
黄昭旭：数据可视化、软件应用。
孙瑞莲：撰写修订、监督、资金获取、概念构思。

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号U1906221）和国家自然科学基金（项目编号41601333）的支持。