摘要
水体和土壤环境中的重金属污染一直是人类所面临的一个重要环境问题，它不仅会影响生态环境，还会通过食物链传递的方式威胁到人类健康。为了去除环境中的重金属污染，人们开发了各种吸附和钝化材料。生物炭材料由于原材料来源广、经济成本低且含有丰富的官能团而被广泛应用于修复环境中的重金属污染。然而原始生物炭吸附水体或钝化土壤中重金属的效果还有待进一步提高。因此本研究制备了层片状锰铝双金属氧化物改性螃蟹壳生物炭（LDO/BC），探究了其对水体中铜和镉的吸附性能及机制。并进一步将LDO/BC用于钝化电子垃圾拆解区重金属污染土壤中的铜和镉以降低铜和镉的迁移性。通过测定修复前后土壤理化性质、微生物群落结构的变化以及黑麦草生长状况、体内重金属含量的变化，来评估材料的修复效果。 论文取得的主要研究成果如下： （1）针对水体重金属污染及原始生物炭吸附性能存在局限的问题，采用共沉淀和共热解成功制备对铜和镉具有较好吸附性能的改性螃蟹壳生物炭材料LDO/BC，并揭示了吸附过程中存在的机制。结果表明：相比于原始生物炭，LDO/BC的比表面积和总孔容积分别提高了3.14倍和4.46倍，并含有助于吸附重金属离子的Mn-O和Al-O官能团。LDO/BC对铜和镉的吸附过程更符合Langmuir模型，理论最大吸附量分别为66.23和73.47mg/g，且在较广泛的pH范围内对铜和镉都能保持良好的吸附效果。通过实验和表征分析发现，LDO/BC吸附水体中铜和镉的机制主要包括沉淀、离子交换、静电作用以及络合作用。 （2）将LDO/BC用于修复电子垃圾拆解区铜和镉污染土壤，以降低土壤中铜和镉的迁移性及毒性，结果显示LDO/BC修复后土壤pH、有机质、有效磷和速效钾等指标均有不同程度改善，并且在3%投加量范围内可以显著提高土壤中过氧化氢酶和蔗糖酶活性。同时，LDO/BC修复后土壤有效态铜的含量从819.8mg/kg下降至205.9mg/kg（钝化率74.8%），有效态镉的含量从8.5mg/kg下降至4.1mg/kg（钝化率为51.7%）。通过测定土壤中重金属各形态含量的变化，发现土壤中的镉主要由弱酸提取态向可还原态转化，而铜主要由弱酸提取态向可氧化态和残渣态转化，这表明LDO/BC可以有效钝化土壤中的铜和镉并降低它们的迁移性和毒性。 （3）通过研究修复前后土壤微生物群落结构的变化及盆栽实验进一步评估LDO/BC的修复效果及影响。同时，综合修复前后各指标的变化情况，确定LDO/BC在修复土壤过程中的最适投加量。结果表明，相对于3%和5%的投加量，1%投加量的LDO/BC更适合用于修复土壤重金属污染，其加入土壤中提高了微生物群落门水平上Proteobacteria的相对丰度以及属水平上Sphingomonas和Methylobacillus的相对丰度，这有利于钝化土壤重金属及促进植物生长。同时，1%投加量的LDO/BC修复后黑麦草的发芽率从21%显著提高到81%，并且黑麦草鲜重、根长以及株高都有显著的提高，分别是CK组的3.5倍、4.05倍以及1.47倍。不仅如此，1%投加量的LDO/BC还显著降低了黑麦草内铜和镉的含量。 本研究成功制备了层片状锰铝双金属氧化物改性螃蟹壳生物炭材料，研究了其在水体中对铜和镉的吸附性能及机制，考察了其对电子垃圾拆解区铜和镉污染土壤的修复效果以及实际应用的可能性，研究可为水和土壤环境中铜和镉污染的修复提供理论基础和实例参考。
NETL