摘要
环境中的重金属污染通常以复合污染形式呈现。其中，铅锌复合污染存在于铅锌矿区及铅锌冶炼厂区周边的水体和土壤之中。因其前体物质来源广泛、制备容易、成本低廉、修复效果明显等特点，生物炭被广泛应用于重金属复合污染的吸附与固定。目前已报道的对象主要集中在植物源和粪便源生物炭上。本论文考察了一类新型动物源生物炭（以下简称动物炭）对水体中铅锌复合污染的吸附行为和机理。以牛骨肉组织为原料缺氧热解制备了动物炭，并利用X射线衍射（XRD）、傅立叶红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）、元素分析和比表面积测定等分析手段表征了动物炭的理化性质，同时量化了单金属体系和双金属体系下铅锌吸附行为的变化和吸附机理的差异。在此基础上，将动物炭应用于模拟污染土壤中铅锌的固定，并对固定效果进行了评估。本文研究结果为动物炭在土壤重金属修复的应用中提供了重要的理论依据。论文的主要结论如下： 动物炭结构疏松、孔隙发达、表面官能团丰富（如-COOH和-OH等），碳含量相对较低，占比不足10%，而钙和磷的含量分别高达38.32%和17.63%，主要成分为羟基磷灰石，是吸附固定Pb(II)和Zn(II)的主要物质。 在单金属吸附体系中，动物炭对Pb(II)和Zn(II)的吸附速率均较为缓慢，约需150-160小时达到吸附平衡，吸附动力学过程可分别被Elovich模型和Pseudo second order模型较好地描述；吸附等温线均符合Langmuir模型，动物炭对Zn(II)和Pb(II)的最大吸附量（Qm）分别为3.23mmol g-1和2.74mmol g-1。结合XRD、FTIR、XPS及Visual MINTEQ的综合分析，发现动物炭对Pb(II)的吸附机理主要是化学沉淀（贡献占比99.9%），即羟基磷灰石释放的H2PO4-和Pb(II)结合形成磷酸铅沉淀。对Zn(II)的吸附机理主要包括化学沉淀作用（贡献占比19%-21%）和锌离子/钙离子间的离子交换作用（贡献占比78%-81%）。 在双金属吸附体系中，Zn(II)对Pb(II)的吸附行为基本不产生影响。单双体系下Pb(II)的吸附等温线大体重合。然而，Pb(II)对Zn(II)吸附行为的影响较大。Pb(II)共存时，Zn(II)在动物炭上吸附24小时左右就能达到平衡，Zn(II)的Qm值较单体系时降低了28.5%。原因在于Pb(II)和Zn(II)共存时，两种重金属会竞争动物炭上羟基磷灰石释放的H2PO4-。由于磷酸铅的溶度积低于磷酸锌，因此当Pb(II)和Zn(II)等摩尔浓度时，Pb(II)更易于形成沉淀。这导致在双金属体系中动物炭对Zn(II)的吸附几乎完全由Zn(II)与Ca(II)的交换作用主导。 动物炭可同步稳定化Pb(II)和Zn(II)复合污染的土壤。通过CaCl2和TCLP两种方式浸提修复后土壤中有效态Pb(II)和Zn(II)，发现随着修复时间的延长以及动物炭投加量的增加，土壤中铅锌的稳定化性能也随之增加。不同浸提方法对土壤有效态Pb(II)和Zn(II)的浸提效果不同。与空白对照组相比，2.5%动物炭投加量对土壤中Pb(II)和Zn(II)的固定效果最佳。经过2.5%动物炭处理后，使用CaCl2法浸提的生物有效态Pb(II)和Zn(II)的降幅分别为94.1%-95.5%和56.5%-83.9%；土壤中TCLP浸提态Pb(II)和Zn(II)的降幅分别为79.8%-84.2%和60.5%-72.4%。
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