摘要
砷（As）是一种普遍存在于水体和土壤等环境中的污染物，有高毒和致癌性，是世界卫生组织（WHO）确定的首要有毒物质，对生态环境和人类健康具有极高危害性。生物质炭（BC）作为一种环保型吸附剂，在As污染水体和土壤修复中的作用备受关注。然而，原始BC修复水和土壤中As污染的能力有限。针对这一问题，本研究以小麦秸秆BC为原材料，利用共沉淀的方法合成了不同质量比的BC/微纳米α-MnO2复合材料（BM），并采用扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDX）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、Zeta电位和比表面积及孔径分析（BET-N2）等多种表征手段对其表面物理化学性质进行了解析。基于液相和室内土壤培育两个体系，探究了BM对As污染的修复效果，揭示了其对水中As的氧化吸附机理；结合土壤中As的赋存形态变化规律探析了其对土壤中As的钝化机制，主要结果如下： （1）表征结果证明，微纳米α-MnO2成功负载到了BC表面，并较为均匀地分布在BC表面的空隙中，其表面结构得到了明显的改善，其中比表面积增大了约7.5~13.6倍；从傅里叶红外光谱和X射线光电子能谱分析结果可以得知，负载丰富了表面官能团的种类和数量，而锰离子主要以四价的形式存在。 （2）BM对水中As的化学吸附更符合Langmuir模型和伪二阶动力学模型，说明吸附过程主要以单分子层化学吸附为主。BM对As(III)和As(V)的吸附性能远高于BC，其理论最大吸附容量分别高达49.80mg/g和38.70mg/g，与微纳米α-MnO2的负载量有一定关系。此外，吸附-脱附循环实验显示，BM作为As(III)和As(V)的吸附材料具有良好的可重复性。基于反应前后BM的FTIR、XPS和SEM-EDX结果分析发现，BM的主要去除机理是其表面官能团（Mn-OH、BC-COOH和BC-OH等）对水中As的表面络合，以及Mn(IV)对As(III)的氧化作用。 （3）室内土壤培育实验显示，BM的使用可以对土壤中的As产生优异的钝化效果，促进土壤As从交换态As、钙结合态As、铝结合态As和铁结合态As向更稳定的残渣态As转移，降低了土壤中As的生物活性，进而使环境安全风险有所降低。同时，BM的施用改变了土壤pH值、有机质含量和铁形态，可直接影响土壤As的赋存形态。其主要修复机制为：通过稳定化作用，显著降低土壤中As的迁移性和生物可利用度。另外，BM还能有效增加土壤中有机碳、全氮、有效磷和速效钾等营养物质含量，从而改善了土壤品质。
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