摘要
冶炼和采矿等工业活动产生的酸性废水、尾矿渣和废石，不仅对地表植被造成了破坏，而且产生的重金属污染物也会随之进入土壤、大气和水体中，使矿区周围环境受到重金属污染。重金属镉（Cd）是冶炼和采矿过程中产生的重要污染物，具有生物毒性强、危害性持久以及易积累性等特点，在进入水体后对公众健康和环境质量构成严重威胁。目前，化学沉淀法、膜分离法、离子交换法、生物修复和吸附法等方法广泛应用于水体中Cd的吸附去除。吸附法被认为是一种简单、高效、低成本去除水体中Cd的有效方法。生物炭作为重金属吸附材料因其来源广、低廉和吸附性能好等优点而受到广泛关注。 本文以湘潭锰矿重金属超积累植物商陆（PhytolaccaacinosaRoxb.）为原料制备了碳酸盐改性生物炭和磁性水热炭两种生物炭材料，利用傅里叶转换红外光谱、扫描电镜、X射线衍射图谱、X射线电子能谱等技术分析了不同热解温度的碳酸盐改性生物炭和磁性水热炭的物理化学性质，并通过设计批量试验研究不同热解温度的碳酸盐改性生物炭和磁性水热炭对Cd(II)的吸附性能，探讨其吸附水中Cd(II)的吸附机理，同时评价了其在处理模拟矿山废水中Cd(II)的效果。主要结果归纳如下： （1）利用真空浸渍的方法，将商陆浸渍到CaCl2和Na2CO3溶液中获得碳酸盐含量多的生物质，300℃、400℃、500℃和600℃四个热解温度下制备高温热解碳酸盐改性生物炭，记为：BioC300、BioC400、BioC500和BioC600。热解温度对碳酸盐改性生物炭的物理化学性质有较大影响。研究结果表明：BioC300、BioC400、BioC500和BioC600的灰分分别为17.87%、21.52%、23.96%、27.96%，产率分别为42.22%、34.09%、31.05%和30.19%，结果说明热解温度越高，其灰分含量增加、炭化程度提高，产率降低。热解温度、溶液pH和吸附剂用量对碳酸盐改性生物炭吸附Cd(II)的影响显著。吸附剂用量越大，热解温度和溶液pH越高，碳酸盐改性生物炭吸附Cd(II)的效果就越好。BioC400、BioC500和BioC600能够在1分钟内吸附Cd(II)后快速絮凝，并在20分钟内沉降。碳酸盐改性生物炭对Cd(II)的吸附受到多种机理调控，包括表面络合、Cd-π相互作用和表面沉淀，研究证实表面沉淀对碳酸盐改性生物炭吸附Cd(II)起主要作用。 （2）在商陆生长过程中浇灌铁盐（硫酸亚铁溶液），通过生物富集获得富铁商陆，将富铁商陆水热炭化（180℃，8小时）制备磁性水热炭。磁性水热炭中的铁含量为8.49±0.41mg/g，其表面形成了Fe3O4纳米颗粒。溶液初始浓度和溶液pH对磁性水热炭吸附Cd(II)有较大影响。Cd(II)溶液初始浓度越低，溶液pH越大，磁性水热炭对重金属Cd(II)的去除率越高。磁性水热炭对Cd(II)的吸附符合拟二级动力学以及Langmuir模型。在25℃下，磁性水热炭对Cd(II)的最大吸附量（qmax）为246.6mg/g。磁性水热炭对Cd(II)的吸附受到表面沉淀、表面络合、静电吸引和离子交换等多种因素影响。磁性水热炭的重复使用性实验证实，磁性水热炭在二次循环后对Cd(II)的去除率下降，但仍能实现磁性分离。 （3）虽然碳酸盐改性生物炭和磁性水热炭的理化性质（炭化程度、灰分、零电荷点、元素含量和官能团等）有较大差异，但是它们对水中重金属Cd(II)的吸附都有较好的效果。碳酸盐改性生物炭和磁性水热炭对Cd(II)的吸附机理涉及多个方面，包括表面沉淀、表面络合、静电吸引、离子交换等和Cd-π相互作用等，表面沉淀在两种生物炭去除Cd(II)过程中都起主要作用，研究说明利用生物炭吸附去除水中重金属Cd(II)，应当优先考虑表面沉淀的作用。 综上所述，碳酸盐改性生物炭和磁性水热炭都能够用于去除水中重金属Cd(II)，对模拟矿区废水也有较好的吸附效果，两种生物炭都具有应用于矿区废水处理的前景。
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