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土壤镉（Cd）污染问题严峻，研究人员开展镉与生物炭结合的研究。他们用三位点 NICA-Donnan 模型，结合实验数据，得出相关模型参数，揭示结合机制。这有助于预测镉结合情况，为原位土壤修复提供支撑。
在当今世界，土壤污染问题日益严重，尤其是镉（Cd）等重金属污染，就像隐藏在土地里的 “定时炸弹”，威胁着生态环境和人类健康。在工业化地区及其周边，镉污染更是普遍存在。与铬、铅等其他痕量金属相比，镉在土壤中的化学性质较为特殊，它具有较高的迁移性和生物有效性。这意味着，一旦土壤被镉污染，镉很容易在土壤中 “跑来跑去”，还更容易被植物吸收，进而通过食物链进入人体，危害人体健康。所以，如何有效治理土壤镉污染，成为了科研人员亟待攻克的难题。
为了解决这一棘手问题，国内研究人员开展了一项极具意义的研究。研究人员从之前的工作中挑选出五种生物炭，它们由纯纤维素和木质素的两种混合物以及玉米秸秆在不同热解温度下制备而成。同时，研究人员还补充了来自文献的另外五种植物基生物炭的镉结合数据。研究人员运用三位点 NICA（Non-Ideal Competitive Adsorption，非理想竞争吸附） - Donnan 模型（结合静电 Donnan 模型，设定恒定的 Donnan 体积为 0.1 L kg?1），深入探究镉与生物炭的结合情况。最终，研究人员成功得出了十组生物炭特异性和一组通用的三位点 NICA-Donnan 模型参数，用以描述镉与生物炭的结合随镉浓度、pH 值和离子强度的变化关系。
这项研究意义非凡。一方面，研究成果揭示了镉与生物炭结合的定量机制，让人们对镉在生物炭表面的吸附过程有了更深入的理解；另一方面，这些通用的模型参数可以帮助科研人员预测未知生物炭对镉的结合能力，为原位土壤修复操作的设计提供有力支持，有望为解决土壤镉污染问题开辟新的道路。该研究成果发表在《Applied Geochemistry》上。
在研究方法上，研究人员主要运用了批量实验法来测量镉的结合情况。通过改变实验条件，如调节 pH 值和离子强度，观察镉在不同生物炭上的吸附变化。同时，借助三位点 NICA-Donnan 模型进行数据拟合与分析，从而得出模型参数，深入探究镉与生物炭之间的相互作用机制。
下面来详细看看研究结果：
- pH 和离子强度对镉结合生物炭的影响：研究人员通过对选定的生物炭和文献中的生物炭数据集进行研究发现，镉的结合量随着 pH 值的升高而增加，这与阳离子的经典吸附模式相符。而离子强度对镉结合生物炭的影响较弱，这主要归因于生物炭的低电荷密度以及生物炭上存在碱性基团。碱性基团会产生正电荷，在一定程度上中和酸性基团产生的负电荷，进而削弱了离子强度的影响。
- 镉与生物炭结合的表面形态及静电相互作用：研究利用三位点 NICA-Donnan 模型，对镉在生物炭表面的吸附过程进行了深入剖析。结果显示，羧基和酚基等反应基团对镉的亲和力低于对质子的亲和力，这就导致镉与生物炭的结合对 pH 值有很强的依赖性。镉离子主要以单齿络合物的形式与羧基结合，以单齿和双齿络合物的形式与酚基结合。虽然酚基对镉的亲和力较高，但羧基在镉结合过程中起主导作用，这是因为羧基对镉和质子的亲和力差异较小。
研究结论表明，本研究成功推导了用于描述镉与生物炭结合的模型参数，清晰地揭示了羧基和酚基等反应基团与镉结合的特性，以及离子强度对镉吸附的影响机制。在讨论部分，研究人员进一步强调，忽略生物炭上碱性基团的存在会导致高估生物炭对镉的结合能力。这一研究成果不仅为深入理解镉在土壤 - 生物炭体系中的化学行为提供了理论依据，而且其推导的通用模型参数具有重要的实践价值，能够广泛应用于预测不同条件下生物炭对镉的结合能力，从而为原位土壤修复技术的优化和发展提供关键支持，对解决全球范围内的土壤镉污染问题具有重要的推动作用。
