厌氧环境下黏土矿物结构Fe（Ⅲ）还原对Cd（Ⅱ）固持特性的影响

黏土矿物结构Fe（Ⅲ）是土壤铁元素主要赋存形态之一,稻田淹水环境下矿物结构Fe（Ⅲ）易发生还原反应,改变矿物晶体微结构和表面化学性质,为研究这种变化对矿物固持Cd（Ⅱ）特性的影响,以合成含铁黏土矿物绿脱石为研究对象,通过化学还原,探讨了厌氧条件下绿脱石结构态Fe（Ⅲ）还原对Cd（Ⅱ）吸附性能的影响及作用机制。结果表明：合成绿脱石中总铁含量为31.3%,结构态Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的含量占总铁的98.6%。还原处理后,矿物结构中Fe（Ⅱ）含量由还原前的3.9%显著提高至67.4%。XRD、SEM、BET和XPS分析表明,还原后绿脱石矿物层间距增大,分散程度更高,比表面积由151.6 m²·g^-1增加至184.0 m²·g^-1,矿物表面的羟基基团数量增加。结构Fe（Ⅲ）还原降低了矿物对Cd（Ⅱ）的吸附和固持性能,Langmuir模型拟合还原后矿物对Cd（Ⅱ）的最大吸附量为23.5 mg·g^-1,明显低于还原前矿物对Cd（Ⅱ）的吸附量（33.4 mg·g^-1）。还原前后矿物对Cd（Ⅱ）的吸附性能均随着离子强度增大而降低,但还原矿物吸附Cd（Ⅱ）的降幅明显低于未还原矿物。黏土矿物结构Fe（Ⅲ）还原后吸附Cd（Ⅱ）的性能降低主要是由于还原过程中结构Fe（Ⅱ）迁移进入层间,抑制了吸附过程中Cd（Ⅱ）进入矿物层间。研究表明,厌氧环境中黏土矿物结构Fe（Ⅲ）显著降低了矿物对Cd（Ⅱ）的固持特性。     

氧化老化玉米秸秆生物炭吸附镉机理研究

为研究玉米秸秆生物炭在经过模拟自然界老化后对Cd²⁺的吸附响应,本文利用H₂O₂对玉米秸秆生物炭进行氧化老化1、2、3次,利用元素分析仪、扫描电镜、红外光谱及碳谱等分析方法,分析老化前后生物炭对Cd²⁺的吸附及响应机理。结果表明：玉米秸秆生物炭氧化老化过程中形成硅酸盐沉淀;经过H₂O₂老化后H/C、O/C和（O+N）/C的原子比逐渐升高,使得生物炭含氧官能团上升、芳香性减弱、极性增强;老化1次（OYM1）、2次（OYM2）、3次（OYM3）后玉米秸秆生物炭碱性元素逐步被释放,碱性元素较未氧化玉米秸秆生物炭（YM）分别降低了48.23%、95.04%、95.74%;不同处理生物炭对Cd²⁺的最大吸附量表现为： YM（12.42 mg·g^-1） >OYM1（5.98 mg·g^-1） >OYM3（3.88 mg·g^-1） >OYM2（3.61 mg·g^-1）,说明老化作用抑制了其对Cd²⁺的吸附。在玉米秸秆生物炭长期利用过程中,生物炭的老化促进无机组分发挥作用,吸附性能减弱,在进行土壤及水污染修复时应合理使用。     

KOH改性花生壳生物炭对盐酸四环素的吸附性能及其机理

以花生壳为原料、KOH为改性剂，考察碱改性工艺流程中的参数（热解温度、碱炭比和碱处理方式）对改性生物炭吸附盐酸四环素（TCH）的影响。通过吸附实验，以原状生物炭（BC600）为对照，探讨改性工艺参数的变化对吸附性能的影响。对生物炭进行扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、比表面积与孔径分析、傅里叶红外光谱（FTIR）、pH_PZC等表征，探究生物炭对TCH的吸附机理。结果表明：碳化温度600℃、碱炭比2∶ 1、使用碱后处理-熔融法制备的改性生物炭（Post-MBC）对TCH去除能力最强。在25℃、pH=4的环境下，0.1 g的Post-MBC对40 mL 0.06 mg·mL^-1的TCH去除率可达99.07%，Post-MBC对TCH的理论最大吸附量可达240.94mg·g^-1（45℃）。Post-MBC的比表面积和微孔体积可达863.56 m²·g^-1和0.26 cm³·g^-1，KOH改性使生物炭的亲水性降低、表面带有负电荷，提高了对疏水性污染物和带正电荷污染物的吸附能力。生物炭的动力学模型更符合McKay方程，三种等温吸附模型的相关系数均较高。改性后的生物炭对TCH的吸附以化学吸附为主导，吸附过程吸热且自发进行。吸附机理包括孔隙填充作用、π-π相互作用、氢键作用、静电相互作用和疏水相互作用。     

3种新型改性玉米秸秆生物炭对Cd2+吸附特性的比较

为比较3种新型改性生物炭对溶液中镉（Cd）的吸附行为,以玉米秸秆生物炭为原料,制备巯基改性生物炭（S-BC）、铁改性生物炭（Fe-BC）和氮掺杂生物炭（N-BC）,分析改性前后生物炭的元素组成、比表面积、表面官能团等性质的变化,通过系统的吸附试验,比较3种改性生物炭对Cd的吸附性能和作用机理。结果表明：与未改性生物炭（BC）相比,N-BC和Fe-BC比表面积分别增加了6.3和9.0倍,总孔体积分别增加了2.68和4.08倍。S-BC因改性后表面光滑,使得生物炭比表面积减小,但其表面官能团变化明显,S-BC在2 977 cm^-1处出现新的吸收峰对应脂肪族（C-H）的伸缩振动,而且在1 089 cm^-1、1 044 cm^-1位置出现双特征吸收峰。3种生物炭对Cd²⁺的吸附主要为化学吸附过程为主,且Langmuir吸附等温线模型所拟合的热力学吸附优于Freundlich吸附等温模型,推测N-BC、Fe-BC、S-BC 3种生物炭对Cd²⁺的吸附过程为单分子层物理吸附。通过Langmuir模型计算可以得到几种生物炭对Cd²⁺最大吸附量表现为Fe-BC (69.11 mg·g^-1) > N-BC (61.92 mg·g^-1) > S-BC (53.85 mg·g^-1) > BC (40.34 mg·g^-1)。     

甘蔗渣生物炭吸附-还原Cr （Ⅵ）的反应研究

以甘蔗渣为原材料，在限氧条件下经600℃碳化制备生物炭RC，经800℃碳化制备生物炭HC，分别研究两者对Cr （Ⅵ）的吸附-还原反应。采用扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）、比表面积和孔隙分析（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱（RS）等对甘蔗渣生物炭表面性质进行表征，从吸附等温线、吸附动力学等角度探讨甘蔗渣生物炭对Cr （Ⅵ）的吸附-还原反应特征及其机理。结果表明：甘蔗渣生物炭具有丰富的孔隙结构和表面活性基团，且随着碳化温度升高，甘蔗渣生物炭表面孔隙度和芳香化程度增加，而含氧官能团OH、C O等相对含量则降低。HC对Cr （Ⅵ）的吸附-还原去除效果最好，总去除量高达117.28 mg·g^-1，较RC增加了82.42 mg·g^-1，其中吸附反应的去除量为76.00 mg·g^-1，比RC增加了67.99 mg·g^-1。随着碳化温度升高，生物炭缺陷程度降低，电子传递能力增强。HC对Cr （Ⅵ）的还原量为87.40 mg·g^-1，较RC增加了57.03 mg·g^-1。吸附等温线和吸附动力学拟合结果显示，甘蔗渣生物炭对Cr（Ⅵ）的吸附更符合拟二级动力学模型。Langmuir模型适用于HC对Cr（Ⅵ）的吸附，Freundlich模型适用于RC对Cr （Ⅵ）的吸附。XPS和FTIR分析结果显示，甘蔗渣生物炭对Cr （Ⅵ）的去除机理为静电吸附、还原和络合作用，其中RC、HC吸附作用的相对贡献率分别为22.98%、64.80%，还原反应的相对贡献率分别为87.12%、74.52%，表明甘蔗渣生物炭对Cr （Ⅵ）的去除过程以还原为主。     

环丙沙星和镉复合污染土壤中镉的生物可给性及其动态变化

为研究环丙沙星（CIP）和镉（Cd）复合污染土壤中Cd的生物可给性,通过向无污染土壤中添加不同浓度的环丙沙星（对照:0 mg·kg^-1,Ⅰ： 5 mg·kg^-1,Ⅱ： 25 mg·kg^-1,Ⅲ： 50 mg·kg^-1）和Cd（80 mg·kg^-1）进行老化实验,运用in vitro和SHIME模型评估老化后土壤Cd的生物可给性。结果表明：不同老化天数（第1 d： D1,第30 d： D30,第60 d： D60）复合污染土壤中Cd的生物可给性有所差异。随着土壤老化时间的延长,重金属Cd的生物可给性不断降低,表现为D60 < D30 < D1。复合污染土壤中随着环丙沙星浓度的增加,D1、D30和D60胃阶段Cd的生物可给性有所变化,但处理间差异均不显著（P>0.05）; D1和D30小肠阶段Cd的生物可给性呈逐渐降低的趋势,D60小肠阶段Cd的生物可给性呈增加的趋势;在结肠阶段,D30和D60各处理（D30 CIPⅠ+Cd处理除外）Cd的生物可给性均高于对照处理,且CIPⅢ+Cd处理达到最大。胃阶段不同停留时间（20、40、60 min）Cd生物可给性动态变化结果显示,60 min时Cd的生物可给性达到最大,20 min时各处理土壤中Cd的生物可给性变幅最大,Cd的生物可给性在胃阶段不同停留时间变化呈先快后慢趋势。研究表明,环丙沙星和Cd复合污染土壤中Cd的生物可给性在胃阶段较高,在小肠和结肠阶段较低。环丙沙星的添加对胃阶段Cd的生物可给性无显著影响,而对小肠和结肠阶段Cd的生物可给性有一定的影响,与未添加环丙沙星的对照处理相比,添加25、50 mg·kg^-1环丙沙星显著提高了老化30 d结肠阶段和老化60 d小肠阶段Cd的生物可给性。     

壳聚糖、铁锰改性稻壳生物炭的表征及其Cd2+吸附性能研究

为改善稻壳炭对Cd²⁺的吸附能力，分别选用壳聚糖、硝酸铁与高锰酸钾对稻壳生物炭进行改性，成功制备了壳聚糖改性稻壳炭（C-BC）和铁锰改性稻壳炭（FM-BC），表征了各稻壳炭的基础理化性质，包括比表面积分析（BET）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射表征（XRD），进行了动力学吸附实验和等温吸附实验，并在不同pH和投加量条件下，研究了改性生物炭对Cd²⁺的吸附量和去除率。结果表明：两种改性方式均减小了稻壳炭的比表面积和总孔隙体积； FM-BC含有Mn-O、Fe-O的特征官能团，此外改性前后稻壳炭的官能团类型基本不变；两种改性方式均使稻壳炭产生了对应的晶体结构变化。两种改性炭对Cd²⁺动力学吸附特征均符合准二级动力学模型，颗粒内扩散模型均分为3个阶段，对Cd²⁺等温吸附特征均符合Langmuir模型； C-BC和FM-BC的最大吸附量分别为25.51 mg·g^-1和16.25 mg·g^-1，是BC （14.97 mg·g^-1）的1.7倍和1.08倍。随着溶液pH增加，C-BC和FMBC的吸附量和去除率逐渐增加，且始终高于BC；随着投加量的增加，C-BC和FM-BC的Cd²⁺去除率逐渐增加，而吸附量逐渐降低。两种改性方式均能够在一定程度上提高稻壳炭对Cd²⁺的吸附能力，均以单分子层化学吸附占主导，C-BC的最大吸附量明显高于FM-BC，适度调整溶液pH和投加量可改善改性稻壳炭的Cd²⁺吸附效果。     

腐植酸和巯基改性生物炭对水中Cd2+的吸附性能和机制研究

本研究以水稻秸秆为原料制备生物炭（BC300），通过使用腐植酸和3-巯丙基三甲氧基硅烷（3-MPTS）丰富其表面官能团，得到腐植酸改性生物炭（HBC300）和巯基改性生物炭（SBC300）两种改性生物炭，分析改性生物炭对Cd²⁺的吸附能力，借助FT-IR、XPS和Boehm滴定等表征手段和密度泛函理论（DFT）计算探究改性生物炭的理化性质及官能团对吸附Cd²⁺的作用。结果表明：改性过程改变了生物炭的理化性质，HBC300表面增加了COOH和OH官能团，而SBC300表面COC、CO和SH官能团增多。通过丰富其生物炭表面官能团提升了生物炭对Cd²⁺吸附反应速率和吸附性能，表现出改性生物炭在水中去除Cd²⁺的潜力。其中，SBC300对Cd²⁺吸附效果最佳，其最大平衡吸附容量为49.5 mg·g^-1，但吸附反应速率小于HBC300，符合准二级动力学方程和Langmuir等温吸附模型，此吸附过程为单分子层吸附并受化学吸附控制。表征数据及DFT计算拟合数据结果表明，生物炭表面修饰官能团加快了对Cd²⁺吸附反应速率，但COC和CO官能团限制了SBC300对Cd²⁺的吸附反应速率。     

不同叶用黄麻种质对重金属吸附的差异及其机制分析

为筛选对重金属具有高效吸附能力的叶用黄麻种质,以36个栽培黄麻种质为研究对象,将黄麻干叶制成粉末,研究其对水体中重金属离子Cu（Ⅱ）、Pb（Ⅱ）、Cd（Ⅱ）和Cr（Ⅵ）的去除特性。结果表明：不同黄麻种质干叶对同种重金属的去除效果不同;且同种黄麻种质干叶对不同重金属的去除效果也有明显差异。黄麻叶对重金属阳离子具有一定的选择吸附特性,且选择性吸附顺序为Cu（Ⅱ） < Pb（Ⅱ） < Cd（Ⅱ）,其中对Cd（Ⅱ）和Pb（Ⅱ）的最高吸附容量分别为20.62、14.19 mg·g^-1,对Cu（Ⅱ）的吸附容量最高则为9.53 mg·g^-1,而黄麻叶对络阴离子Cr（Ⅵ）的去除效果受种质的影响较大,吸附容量最高可达25.79 mg·g^-1,最低仅为1.46 mg·g^-1。黄麻种质HMG-2对Cd（Ⅱ）有较好的吸附效果,吸附等温线符合Langmuir模型,最大理论吸附容量可达30.29 mg·g^-1。研究表明,黄麻种质HMG-1和HMG-2可考虑作为吸附重金属阳离子的专用种质,而黄麻种质竹昌麻和HMG-4则可考虑作为吸附络阴离子的专用种质;不同黄麻种质干叶对同种重金属的吸附容量不同,主要与黄麻叶片中的富含活性官能团的物质（如纤维素、半纤维素和木质素等）含量有关。     

水稻秸秆生物炭对镉污染农田中番茄产量和品质的影响机制

为探究不同比例生物炭对镉污染农田中番茄产量和品质及其体内镉累积的影响,以千禧番茄（Lycopersicon esculentumMill.）为材料,设计4个处理（CK：不添加生物炭;T₁：1%生物炭;T₂：3%生物炭;T₃：5%生物炭）,采用盆栽试验研究了不同处理下番茄根系、茎部和果实中镉的累积、产量与品质和土壤理化性质与酶活性的差异。结果表明：与CK处理相比,添加生物炭显著提高了番茄的产量和品质（维生素C、番茄红素、可溶性蛋白、可溶性糖含量和糖酸比）,其中T₂处理的品质提升效果最显著,分别较CK处理提高了24.7%、114.4%、12.0%、37.4%和80.0%。添加生物炭可显著降低番茄体内（根系、茎部和果实）镉含量,其中T₃处理的效果最显著,在生长末期,T₃处理番茄根系、茎部和果实中的镉含量分别为1.31、0.33 mg·kg^-1和0.03 mg·kg^-1。此外,在番茄的整个生育期中添加生物炭可显著改善土壤理化性质（pH和腐殖质）,提高土壤养分含量（碱解氮、速效磷和速效钾）和酶活性（脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶）,其中在生长末期,T₂处理的碱解氮、速效磷、速效钾含量和脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和纤维素酶活性显著高于其余处理,依次为47.42、165.85、167.76 mg·kg^-1和6.28 mg·g^-1·d^-1、3.20 mg·g^-1·20 min^-1、1.07 mg·g^-1·d^-1和2.13 mg·g^-1·d^-1;T₃处理对pH、腐殖质含量提高效果最为明显,分别为7.15和24.56 g·kg^-1,但与T₂处理无显著差异。研究表明,添加生物炭可显著降低番茄体内镉含量,改善土壤理化性质并提高土壤养分含量,进而提高番茄的产量和品质,其中以3%生物炭处理效果最佳。同时,添加生物炭显著提高了土壤的酶活性,改善土壤的生态环境。