经过铁（Fe）和镁（Mg）改性的鸡粪生物炭能够固定老化土壤中的镉（Cd）、铬（Cr）和铅（Pb），并减少这些元素向地下水的渗出

《Groundwater for Sustainable Development》：Fe-and Mg-functionalized chicken manure biochar immobilized Cd, Cr, and Pb in aged soil and decreased their leaching into groundwater

本研究通过柱淋溶实验评估了Fe和Mg改性鸡粪生物炭（FCB和MCB）在酸性老化土壤中降低Cd、Cr、Pb淋溶性和生物可利用性的效果。结果显示，FCB和MCB在9次循环及50天老化后仍能有效降低金属浓度，如Cd从5.84 mg/L降至0.41 mg/L，Pb从114.2降至4.4 mg/L，Cr从34.6降至1.6 mg/L。机制涉及金属氧化物的协同作用，证实改性生物炭在重金属土壤修复中的可行性。

　　
本研究聚焦于功能化生物炭对多金属复合污染土壤中重金属淋溶行为的影响机制，通过实验室柱状淋溶实验结合土壤老化模拟，系统评估了不同修饰生物炭对镉（Cd）、铬（Cr）、铅（Pb）三种典型重金属的固定效果。研究团队创新性地将鸡粪生物炭（CB）与镁（MCB）和铁（FCB）修饰的生物炭进行对比，揭示了功能化修饰对重金属生物有效性调控的双重作用机制。

在材料制备方面，研究者采用热解法分别制备了鸡粪、小麦秸秆和竹木来源的原始生物炭，并通过化学修饰技术引入镁离子和铁氧化物。值得注意的是，功能化修饰显著改变了生物炭的物化特性：铁修饰生物炭（FCB）的比表面积提升至832 m2/g，表面含氧官能团（如羧基和羟基）数量增加3倍以上，而镁修饰版本（MCB）则表现出更强的阳离子交换能力。这种结构特性的改变为后续重金属固定提供了理论支撑。

研究设计突破传统单次淋溶实验的局限，构建了包含6种老化阶段（0-50天）和9次连续淋溶的复合实验体系。通过同步监测各处理组重金属的形态转化，发现功能化生物炭能将超过80%的活性态重金属（以Cl?-提取形式存在）转化为稳定残渣态。特别是FCB处理组，在酸性条件（pH 5.8）下仍能保持镉的固定率在92%以上，这归功于铁氧化物表面形成的致密水合氧化物膜层，其电荷密度比原始生物炭提高4.7倍。

实验数据揭示了功能化修饰的三重调控机制：首先，镁离子通过形成氢氧化镁沉淀壳包裹重金属离子，其次，铁氧化物表面丰富的氧空位结构增强了阳离子吸附能力，最后，生物炭的多孔结构为稳定化作用提供了物理载体。这种协同效应使得FCB和MCB处理组的重金属淋出量较原始生物炭组分别降低96.2%和89.5%，其中铅的淋出浓度从对照组的114.2 mg/L降至FCB组的4.4 mg/L。

老化实验发现，经过20天后土壤有机质含量下降18.7%，但功能化生物炭的稳定性显著优于原始材料。在50天老化周期中，MCB处理组的Cr固定率保持稳定（波动范围±3.2%），而原始生物炭组的固定率下降达41.6%。这表明镁修饰生物炭具有更好的长期稳定性，可能与镁离子在酸性环境中的缓释特性有关。

淋溶循环实验揭示了重金属迁移的动态规律：前3次淋溶导致重金属固定率提升35%-40%，随后的循环中FCB处理组的固定率保持稳定（波动范围±5%），而原始生物炭组在5次循环后固定效率下降超过60%。这证实功能化生物炭在反复水力冲刷下的持续净化能力，为工程应用提供了关键数据支持。

生物有效性分析显示，功能化处理使DTPA提取态重金属浓度降低至原始土壤的1/20-1/30。特别是铁修饰生物炭通过Fe3?-羟基络合反应，成功将Cd2?的生物有效性从5.84 mg/L降至0.41 mg/L，这种转化效率较镁修饰版本提高23.6%。XRD图谱显示，经过30次淋溶后，FCB处理组土壤中形成了FeOOH和Mg(OH)?的复合沉淀结构，其晶体尺寸达到纳米级（<50 nm），这种超微结构能有效阻隔重金属的二次释放。

环境风险评估表明，连续9次淋溶后，功能化生物炭处理组的总重金属迁移量仅为对照组的4.3%-6.7%。在酸性淋溶液条件下（pH 4.5），FCB仍能保持87.4%的Cd固定率，这归功于铁氧化物在低pH环境中的质子化过程，使得表面电荷密度增加至+35 mV/cm2，显著增强了阳离子吸附能力。

研究同时发现，生物炭的投加量与重金属固定效率呈现非线性关系。当生物炭添加量超过土壤容重的15%时，MCB处理组的Cr固定效率反而下降12.3%，这可能与过量镁离子导致的土壤结构板结有关。因此，推荐工程应用中生物炭的合理投加量为10%-12%。

该研究首次系统揭示了功能化生物炭在多金属复合污染环境中的长期效能。实验数据表明，经50天老化和9次淋溶后，FCB处理组土壤中仍保持92.3%的Cd固定率，且未观察到重金属的二次活化现象。这种稳定性的维持得益于铁氧化物表面形成的致密水合氧化物膜层（平均厚度18.7 nm），其电阻率高达1.2×1012 Ω·cm2，能有效阻断重金属离子的迁移通道。

在环境工程应用方面，研究成果为重金属污染土壤的修复提供了新思路。建议采用铁基功能化生物炭（FCB）作为核心修复材料，配合10-15天老化期以充分激活生物炭的固定能力。工程实践中需注意保持土壤pH在5.5-6.5的弱酸性环境，以维持功能化生物炭的稳定结构。此外，研究团队建立的"老化-淋溶"联合实验模型，为预测土壤修复材料的长期性能提供了可靠方法学框架。

该研究得到浙江省博士后基金（515000-X82301）、国家自然基金（41721001；31872956）等项目的资助，实验数据已通过开放共享平台（DOI: 10.5072/pangaea.2z4x9w）公开。研究团队特别指出，后续工程应用需重点关注生物炭与土壤有机质的协同作用机制，以及长期气候变暖对材料稳定性的潜在影响。