北方白柏生物炭高效吸附去除地下水中铅(II)的环境策略研究

针对印度Bilaspur地区地下水铅(Pb)污染问题，研究人员利用观赏植物Thuja occidentalis制备生物炭，通过SEM-EDS和FTIR表征其结构，采用Box-Behnken设计优化吸附条件，在pH 6.0、200 RPM和80分钟接触时间下实现98.7%的Pb(II)去除率，为低成本重金属修复提供新方案。

　　

随着工业化和城市化进程加速，地下水重金属污染已成为全球性环境挑战。印度Bilaspur地区33.3%的地下水样本中铅(Pb)浓度超过WHO规定的10 ppb限值，严重威胁生态系统和居民健康。传统水处理技术如反渗透和离子交换成本高昂，而生物吸附技术因其经济性和环境友好性备受关注。

为开发高效吸附材料，研究人员以观赏植物Thuja occidentalis（北方白柏）为原料制备生物炭，系统评估其对Pb(II)的去除效能。研究通过扫描电镜-能谱联用技术(SEM-EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征材料特性，结合Box-Behnken实验设计优化吸附参数，最终在真实地下水样本和加标样本中验证处理效果。该成果发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，为发展中国家重金属污染治理提供了可推广的解决方案。

关键技术方法包括：1) 在不同温度(300-900°C)下热解制备生物炭并测定产率；2) 采用SEM-EDS分析微观形貌和元素组成；3) 通过FTIR鉴定表面官能团；4) 基于响应面法(RSM)设计批量吸附实验；5) 利用Phaseolus mungo种子萌发实验评估水体毒性。

研究结果部分：
3.1 地下水理化特性
Bilaspur地区15个采样点的pH(6.13-7.40)虽符合标准，但86.6%样本总溶解固体(TDS)超标(552-1110 mg/L)，20%样本总硬度(TH)超过500 mg/L限值。

3.2 重金属分布特征
铅(Pb)是主要污染物，最高浓度达20.07±0.71 ppb（位点12），33.3%样本超过WHO标准，其他重金属如As、Cr等均未超标。

3.3 毒性评估
Phaseolus mungo种子实验显示，高Pb污染位点（12-14）的萌发指数(GI)降低至65.7%-79.5%，淀粉酶活性(0.3-0.33 μMol/min)显著低于对照组，证实金属毒性抑制植物代谢。

3.4 生物炭表征
700°C热解获得的生物炭具有最佳性能：固定碳含量22.51%，管状孔隙结构，FTIR显示保留羟基(3642 cm^-1
)和羧基(1397 cm^-1
)等活性位点，SEM显示均匀分布的微孔和矿物沉积。

3.5 吸附实验
在10-500 ppb浓度范围内，生物炭对Pb的去除率达85-99%。RSM模型确定最佳条件为pH 6.0、200 RPM、80分钟接触时间，实际验证去除率为98.7%，与预测值(98.62%)高度吻合。

结论与意义：
该研究创新性地利用观赏植物制备高性能生物炭，其管状孔隙结构和丰富含氧官能团（如酚羟基和羧基）为Pb(II)提供了多重结合位点。通过建立二次多项式模型，首次明确Thuja occidentalis生物炭在弱酸性环境(pH 6.0)下的最优操作参数，突破传统吸附材料对pH的苛刻要求。相较于稻壳等农业废弃物生物炭，该材料在真实地下水样本中仍保持85%以上的去除率，且制备成本降低30%。研究为解决发展中国家"水质型缺水"问题提供了可规模化应用的技术方案，同时拓展了观赏植物的资源化利用途径。未来研究可聚焦于生物炭改性（如Fe³⁺
负载）和X射线光电子能谱(XPS)机理解析，进一步提升对复合污染体系的修复效能。