摘要
由于铬在环境中持久存在且具有致癌性，因而对环境和人体健康的潜在风险高。因此，铬污染治理已成为全球亟待解决的环境问题之一。目前铬污染土壤修复技术依然存在修复效率低、修复成本高、修复后的土壤在生物地球化学作用下出现返黄等问题。为此本文以芦苇秸秆、尿素和三氯化铁等为原料，通过碳热还原技术耦合非均相原子掺杂技术成功制备了氮掺杂铁基生物炭材料（Fe/NBC）并对其微观结构进行表征；通过调控材料制备温度、反应体系pH、反应体系共存阴阳离子等多种条件研究了Fe/NBC材料在水相反应体系中对Cr(Ⅵ)的去除效果和去除机理；通过土壤实验探寻经Fe/NBC材料修复后土壤中Cr(Ⅵ)的稳定性以及Fe/NBC对土壤理化性质和土壤中铬的赋存形态变化的影响。研究得出的主要结论如下： （1）氮原子掺杂过程会影响碳热还原反应后铁的表面形态和结构，形成约1μm直径的规则圆球。氮原子掺杂合成的Fe/NBC材料不但拥有更高的微孔比表面积，同时也拥有更小的介孔孔径，孔道结构分布规律，有利于活性位点的分布，增加活性位点与底物的接触。此外，通过拉曼光谱分析发现氮掺杂过程会提高铁基生物碳材料的无序度和缺陷度。 （2）当Fe/NBC材料的碳热还原温度为1000℃，Fe:N（摩尔比）=1:2时，对水溶液中Cr(Ⅵ)的去除效率最高为95.49%。Fe/NBC材料去除Cr(Ⅵ)的过程中，几乎不受共存离子的影响，适用性强。通过吸附动力学、吸附等温和吸附热力学模型分析可知Fe/NBC材料对Cr(Ⅵ)的吸附过程是一种自发的吸热化学吸附过程，升高反应体系温度可以提高Fe/NBC材料的吸附性能。 （3）在对铬污染土壤的修复过程中，Fe/NBC相比于BC和Fe/BC材料表现出更高的修复效率和修复速率。当Fe/NBC材料的添加量为3%时，在第14天对土壤中Cr(Ⅵ)去除效率为50.85%。通过模拟地下水/地表水浸出、模拟酸雨浸出和模拟垃圾渗滤液浸出实验表明，经Fe/NBC修复后土壤中Cr(Ⅵ)具有较好的稳定性，当Fe/NBC材料添加量为5%时浸提液中Cr(Ⅵ)浓度最低，修复效率为77.50%~82.85%，且不易受极端环境的影响。 （4）采用了改进的BCR连续提取法和Tessier连续提取法研究土壤中铬的赋存形态，发现Fe/NBC材料会显著提高土壤中对铬的固持能力，使其从易被生物吸收利用的赋存形态向不易被生物吸收利用的赋存形态转化。随着Fe/NBC材料的添加量的升高，土壤中不易被生物吸收利用的铬赋存形态比例也随之升高。此外，通过对比改进的BCR连续提取法和Tessier连续提取法两种连续提取方法，发现Tessier连续提取法更适合用于分析Fe/NBC修复后土壤中铬的赋存形态。
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