夏 宇，楊天學(xué)，朱能敏，李 東，陳則良，郎乾乾，劉振剛，焦文濤

（1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心 固體廢棄物處理與資源化實驗室，北京100085；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京 100120；4.中國環(huán)境科學(xué)研究院 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險評估國家重點實驗室，北京 100012；5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部沼氣科學(xué)研究所 農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室，四川 成都 610041）

譯者：夏 宇；審查：繆 巍；單位：中國城市建設(shè)研究院有限公司

1 研究亮點

*提供了一種過氧化氫與超聲協(xié)同改性方法及一種吸附機理的定量分析方法。

2 背景

因來源廣泛、價格低廉、制備簡單，生物炭常被應(yīng)用于碳封存、土壤改良、水處理以及環(huán)境修復(fù)等環(huán)境領(lǐng)域。水熱炭化是制備生物炭的重要方式之一。相比于其他類型的生物炭，水熱型生物炭（簡稱水熱炭）表面具有更豐富的極性含氧官能團，在水體污染治理方面具有重大優(yōu)勢。近年來，關(guān)于水熱炭水環(huán)境污染治理的研究大多局限于對原生材料的研究，對于水熱炭改性和吸附強化的研究較少，且目前尚缺乏水熱炭對水體重金屬吸附的深入機理研究。因此，本研究采用經(jīng)濟高效的過氧化氫與超聲協(xié)同法制備吸附強化的改性水熱炭材料，并結(jié)合吸附實驗數(shù)據(jù)、化學(xué)分析方法和多種光譜技術(shù)，從量化層面揭示其對鉛的吸附作用機制。

3 研究方法

以松木木屑為原料，通過水熱炭化法制得原生水熱炭，再以原生水熱炭為原料，通過過氧化氫和超聲協(xié)同處理進一步制得改性水熱炭。采用Langmiur、Freundlich、Temkin 吸附等溫線模型以及pseudo-firstorder、pseudo-second-order 吸附動力學(xué)模型對水熱炭吸附鉛進行擬合，研究吸附本質(zhì)規(guī)律，作為支撐吸附機理分析的重要依據(jù)。同時，通過模型擬合計算出吸附平衡時間及吸附效能等重要物理參數(shù)。結(jié)合吸附前后水熱炭的基團結(jié)構(gòu)、晶相結(jié)構(gòu)、化學(xué)結(jié)合態(tài)，以及液相中可交換離子濃度、鉛離子形態(tài)等變化情況，揭示水熱炭對鉛的吸附作用機制。最后，通過官能團屏蔽實驗確認(rèn)各吸附作用力對鉛吸附貢獻的量化占比。

4 主要研究結(jié)果

過氧化氫與超聲協(xié)同處理極大地增加了水熱炭中極性含氧官能團數(shù)量，羧基、內(nèi)酯基和酚羥基的含量分別提升了3.4 倍、2.1 倍和2.0 倍。相比于原生水熱炭，改性水熱炭的吸附能力提升了42 倍。

通過對比吸附前后液相與水熱炭變化情況，發(fā)現(xiàn)液相中可交換離子與吸附不存在相關(guān)性，吸附全過程中鉛始終以二價形態(tài)存在，吸附后沒有鉛的新晶像物生成，但存在鉛氧結(jié)合的新配合物。同時結(jié)合紅外光譜數(shù)據(jù)和O1s能譜數(shù)據(jù)，分析得出水熱炭對鉛的吸附作用機制主要為羧基、羥基、共軛π 電子的配位結(jié)合作用。通過將羧基、羥基等基團屏蔽之后重新測定屏蔽后水熱炭對鉛的吸附能力，進一步得出羧基、羥基以及鉛-π 非鍵作用力貢獻占比分別為62.12%、27.14%和10.74%。

5 結(jié)論與展望

本研究提供的過氧化氫與超聲協(xié)同改性方法，相比于其他熱處理法、元素?fù)诫s法、接枝改性法等，具有操作簡便、經(jīng)濟高效且不產(chǎn)生二次污染等特點。該方法有效活化了水熱炭，極大地增強了其對于鉛的吸附去除能力，制得的改性水熱炭作為潛在水體重金屬吸附劑具有良好的應(yīng)用前景。本研究提供的吸附機理分析方法，實現(xiàn)了吸附機理研究從定性到定量的跨越，可為廣大科研工作者提供參考。