利用FeCl?催化的低温热解法从竹粉中可持续合成人工腐殖质，用于修复镉污染土壤和实现碳封存

《Environmental Research》：Sustainable Synthesis of Artificial Humic Substances from Bamboo Powder by FeCl 3-Catalyzed Low-Temperature Pyrolysis for Cadmium Contaminated Soil Remediation and Carbon Sequestration

本研究提出了一种FeCl3-KOH协同催化低温热解制备人工腐殖酸（A-HS）的绿色方法。优化条件下（250℃，1.0 wt% Fe），A-HA和A-FA产率分别达18.80%和25.96%，协同催化显著提升腐殖化效率。实验证实该A-HS对镉污染土壤修复效果优于单一催化体系，固定率达51%，降低作物镉含量64%，同时重构土壤微生物群落并促进氮磷循环，实现土壤修复与碳封存协同增效。

　　本研究提出了一种利用铁氯化物和氢氧化钾协同催化作用，在碱性条件下通过低温热解技术合成人工腐殖质（A-HS）的新方法。这种方法以竹粉（BP）为原料，旨在提高人工腐殖质的合成效率，同时增强其对土壤中镉（Cd）污染的修复能力。通过实验优化，研究人员发现当热解温度为250°C，铁催化剂的添加量为1.0 wt%时，人工富里酸（A-FA）和人工腐殖酸（A-HA）的产率分别达到25.96 ± 1.24 wt%和18.80 ± 1.61 wt%。这一结果比传统的堆肥方法高出了3到4倍，显示出该技术在人工腐殖质生产方面的显著优势。

研究通过多种分析手段，如热解气相色谱-质谱（py-GC/MS）和碳-13核磁共振（13C NMR），验证了铁氯化物和氢氧化钾在低温热解过程中协同作用的机制。这些催化剂共同促进了生物质大分子的脱氧、脱羰、羟基化/酮化以及美拉德反应等关键过程。结果表明，铁氯化物在热解过程中能够有效分解生物质大分子，引发自由基介导的链式反应，从而提高腐殖质的生成效率。同时，氢氧化钾则通过提供碱性微环境，促进聚合反应，使生成的人工腐殖质具有更复杂的结构和更高的功能活性。

人工腐殖质具有高度氧化的芳香结构，并富含羧基（-COOH）和酚羟基（-OH）等反应性官能团。这些官能团的存在使得人工腐殖质能够有效固定土壤中的镉离子，减少其在土壤中的移动性。实验结果显示，通过使用HS-BP&Fe&KOH修复剂，土壤中镉的固定率达到了51%，而受污染土壤中镉的有效态浓度从2.54 mg/kg降低到了1.16 mg/kg。此外，这种修复剂还显著抑制了作物中镉的积累，例如在绿叶蔬菜中的镉含量减少了64%。这些结果表明，人工腐殖质不仅能够有效降低土壤中镉的生物有效性，还能改善土壤的微生物群落结构，提升氮、磷等营养元素的循环功能。

研究进一步指出，这种人工腐殖质的合成与应用在碳固存方面也表现出色，碳固存效率超过了60%。这一特性使得该技术在实现土壤修复的同时，还能促进碳中和目标的达成。相比之下，传统的堆肥方法不仅效率较低，而且在处理过程中会产生温室气体，如甲烷（CH?）和氧化亚氮（N?O），这可能对环境造成二次污染。而本研究提出的低温热解方法能够快速完成生物质的转化，避免了这些温室气体的排放，从而实现了更环保的腐殖质合成过程。

从应用角度来看，该技术为解决土壤镉污染问题提供了一种新的思路。传统的土壤修复方法往往成本高昂、周期长，且难以大规模推广。而本研究中采用的FeCl?和KOH协同催化体系不仅提高了人工腐殖质的产率，还显著增强了其对镉的固定能力。此外，该方法在实际应用中表现出良好的土壤功能恢复效果，能够改善土壤的理化性质，提升其肥力，同时促进微生物群落的优化。这种双重功能使得人工腐殖质在土壤修复和农业可持续发展方面具有广阔的应用前景。

该研究的创新点在于，通过精准调控热解温度和催化剂比例，实现了对人工腐殖质合成过程的高效控制。这种调控方式不仅提高了腐殖质的产量，还优化了其分子结构，使其具备更强的重金属固定能力和更高的碳固存效率。研究还强调了铁基催化剂在土壤修复中的重要作用，特别是在调节镉的生物地球化学循环方面。铁元素作为植物生长的必需微量元素，其催化作用不仅提高了腐殖质的合成效率，还确保了该技术的环境友好性。

从生态角度来看，该技术的实施有助于改善受镉污染的土壤环境，减少镉对农作物和人体健康的潜在威胁。同时，通过将竹粉等农业废弃物转化为人工腐殖质，该方法实现了资源的循环利用，减少了废弃物的堆积和对环境的负担。这种资源转化过程不仅符合绿色发展的理念，还为实现碳中和目标提供了新的途径。在当前全球面临气候变化和环境污染的背景下，该技术的应用具有重要的现实意义。

研究还指出，人工腐殖质的合成过程可以通过多种方式实现，包括对不同生物质原料的处理。例如，利用竹粉作为原料，不仅能够获得高产率的人工腐殖质，还能有效利用农业废弃物。这种灵活性使得该技术可以应用于更广泛的生物质资源，从而拓展其在土壤修复和碳固存领域的应用范围。此外，该技术的实施还可以结合其他环境治理措施，如生物修复和化学固定，形成综合性的污染治理方案。

在实际应用中，该技术需要考虑多个因素，包括热解温度、催化剂种类和比例、反应时间以及反应环境等。研究人员通过实验确定了最佳的热解条件，即250°C和1.0 wt%的铁催化剂添加量。这些条件不仅能够最大化人工腐殖质的产率，还能确保其结构的稳定性和功能性。同时，研究还强调了催化剂的协同作用，即铁氯化物和氢氧化钾的共同作用能够显著提高腐殖质的合成效率，并避免单一催化剂可能带来的负面影响，如碱性过高导致的土壤板结或重金属迁移等问题。

该研究的成果为未来土壤修复技术的发展提供了重要的理论依据和实践指导。通过引入协同催化体系，研究人员成功克服了传统方法在效率和环境友好性方面的不足，实现了人工腐殖质的高效合成和土壤修复的双重目标。此外，该技术的可扩展性也为其他类型的土壤污染治理提供了参考。例如，通过调整催化剂种类和反应条件，可以针对不同的重金属污染类型设计相应的修复方案。

综上所述，本研究通过创新的催化体系和热解技术，成功合成了一种具有优异重金属固定能力和碳固存效率的人工腐殖质。这种人工腐殖质不仅能够有效降低土壤中镉的生物有效性，还能改善土壤的微生物群落结构，提升其生态功能。研究结果表明，该技术在实现土壤修复和碳中和目标方面具有巨大的潜力，为农业可持续发展和环境保护提供了新的解决方案。