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镉（Cd）残留于畜禽粪便威胁农业环境与健康。本研究开发镁离子（Mg2?）、氨基磺酸钠（SS）和纳米零价铁（nZVI）改性玉米秸秆生物炭（MCSB），发现其比表面积增 260%，有效促进 Cd 从生物可利用态转化为稳定态，为 Cd 污染修复提供新路径。
镉（Cd）作为世界卫生组织国际癌症研究机构认定的 I 类致癌物，其在环境中的迁移性与生物毒性长期威胁着生态安全与人类健康。在农业领域，畜禽粪便中残留的 Cd 随堆肥还田进入土壤，通过食物链富集，不仅破坏农田生态系统，还可能引发如日本富山县 “痛痛病”（因长期饮用镉污染水源导致肾脏损伤、骨质疏松）等严重健康问题。据统计，全球每年因自然和人类活动向环境释放的 Cd 超过 2 万吨，而传统的吸附、离子交换等修复技术在处理复杂堆肥体系中的 Cd 时，往往存在效率不足或成本较高的缺陷。因此，开发高效、环保且兼具资源化利用潜力的 Cd 修复材料，成为农业环境领域亟待解决的关键问题。
为攻克这一难题，来自中国内蒙古通辽市相关研究机构的科研团队开展了创新研究。他们以玉米秸秆为原料，通过镁离子（Mg2?）、氨基磺酸钠（SS）和纳米零价铁（nZVI）复合改性，制备出新型改性生物炭（New M@BC），并系统探究其在畜禽粪便堆肥中对 Cd 的吸附性能与固封机制。研究成果发表在《Environmental Technology 》，为农业废弃物资源化利用与重金属污染治理提供了重要科学依据。
研究团队主要采用了以下关键技术方法：
- 生物炭制备与改性：通过高温碳化（600℃氮气保护）制备玉米秸秆生物炭（BC），并依次通过 FeCl?还原、MgCl?溶液浸渍、氨基磺酸钠修饰等步骤，逐步引入 nZVI、Mg2?和 - NH?官能团，最终获得 New M@BC。
- 材料表征：运用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积分析（BET）、X 射线衍射（XRD）等技术，对生物炭的表面形貌、官能团组成、孔隙结构及晶体特征进行系统分析。
- 吸附与堆肥实验：通过吸附动力学、等温吸附实验及堆肥过程中 Cd 形态转化分析，评估 New M@BC 对 Cd 的吸附能力与固封效率。
3.1 生物炭材料表征
- 理化性质：改性后生物炭灰分含量从 BC 的 28.2% 增至 New M@BC 的 64.9%，pH 呈碱性（NS-Fe?@BC > New M@BC > Mg-Fe?@BC > BC > Fe?@BC），(N+O)/C 原子比升高，表明极性与亲水性增强。
- 微观结构：SEM 显示 BC 表面光滑，而改性生物炭表面附着大量颗粒状物质，New M@BC 形成更复杂的多孔结构；BET 证实其比表面积从 4.59 m2/g 增至 16.88 m2/g，微孔比例提升至 17.66%。
- 官能团与元素分析：FTIR 检测到 - OH、-COOH、Fe-O 及 - NH?等官能团，XRD 证实 Fe3O?、Fe2O?、MgO 等晶体的存在，表明改性剂成功负载。
3.2 吸附性能研究
- 影响因素：pH=9 时吸附效率最佳，New M@BC 在 pH 5-10 范围内吸附效率达 61.08%-92.48%；吸附量随生物炭投加量增加而提升，0.25 g/L 时达平衡。
- 动力学与热力学：准二级动力学模型（R2>0.98）更贴合吸附过程，表明化学吸附为主导；Langmuir 模型拟合显示吸附为单分子层吸热过程，25℃时 New M@BC 的最大吸附量（q???）为 9.028 mg/g。
3.3 堆肥中 Cd 形态转化
- 形态分析：New M@BC 显著促进 Cd 从生物可利用态（F1+F2）向残留态（F5）转化，5% 添加量时转化效率达 36.98%-41.61%，总钝化效率达 87.06%，远超未改性 BC（55.98%）。
- 作用机制：表面官能团（-OH、-COOH）通过静电吸附与络合作用固定 Cd2?，Mg2?与 Cd2?发生离子交换，nZVI 通过氧化还原反应形成稳定铁 - Cd 复合物，共同降低 Cd 迁移性。
4. 结论与意义
本研究开发的 New M@BC 通过多组分协同改性，显著提升了生物炭对 Cd 的吸附能力与固封效率，其机制涉及表面络合、离子交换与氧化还原反应的共同作用。在堆肥体系中，该材料可有效降低 Cd 的生物可利用性，为畜禽粪便资源化利用过程中的重金属污染控制提供了高效、经济的技术方案。未来若结合分形吸附理论优化材料设计，有望进一步提升其在复杂环境中的应用潜力，为农业面源污染治理与循环农业发展开辟新路径。
