纳米工程生物炭的可控制备及其对重金属离子吸附性能的增强机制研究

本研究针对水体中潜在毒性元素(PTEs)污染治理难题，通过球磨法制备四种原料(柳木WL、污泥SSL、稻壳RH、油菜OSR)衍生的纳米生物炭(n-BC)，系统探究热解条件对Cd(II)/Zn(II)/Pb(II)吸附性能的影响。结果表明n-BC比常规生物炭(b-BC)吸附容量提升达332%，其中Pb(II)吸附量最高达431.9 mg/g，化学吸附为主导机制，N2 热解氛围显著增强Zn(II)吸附，为PTEs修复提供新型可持续解决方案。

　　

随着工业活动加剧，潜在毒性元素（PTEs）如镉(Cd)、锌(Zn)、铅(Pb)等重金属污染已成为全球性环境危机。这些元素不仅具有生物累积性，即使在微量浓度下也会对生态系统和人类健康造成严重威胁。传统的水处理技术如化学沉淀、离子交换等存在成本高、易产生二次污染等缺陷，而生物炭（BC）因其多孔结构和丰富表面官能团被视为理想吸附剂。然而，常规生物炭(b-BC)的吸附效率受限于比表面积和活性位点数量，如何通过纳米工程技术提升其性能成为研究热点。

为突破这一技术瓶颈，波兰研究人员在《Journal of Environmental Management》发表重要成果，系统研究了四种生物质原料（柳木WL、污水污泥SSL、稻壳RH、油菜秸秆OSR）在不同热解条件下制备的纳米生物炭(n-BC)对Cd(II)、Zn(II)、Pb(II)的吸附特性。研究发现n-BC较b-BC吸附容量最高提升332%，其中Pb(II)吸附量达431.9 mg/g，并首次揭示N₂
热解氛围对Zn(II)吸附的独特增强效应。这项研究为开发高效PTEs修复材料提供了理论依据和技术路径。

关键技术方法包括：1）采用球磨法制备不同原料的n-BC；2）通过BET比表面积分析仪(S_BET
)、孔隙体积(V_p
)测定等表征材料物理性质；3）利用FTIR和XPS分析表面官能团变化；4）开展单金属体系吸附实验避免竞争效应；5）采用伪二级动力学模型(PSO)解析吸附机制。

【吸附剂材料】
研究选取WL、SSL、RH、OSR四种原料在550°C、N₂
氛围下热解制备b-BC，经球磨获得n-BC。表征显示n-BC的S_BET
（比表面积）和V_p
（孔隙体积）显著增加，灰分含量提升，为重金属吸附提供更多活性位点。

【吸附动力学】
动力学曲线显示吸附过程分三阶段：快速吸附（0-60分钟）、缓慢增长（60分钟-48小时）和平衡阶段。所有体系符合PSO模型（R²

0.99），表明化学吸附为主导机制，其中氧官能团（-COOH/-OH）与金属离子的络合作用起关键作用。

【结论与意义】
该研究首次系统比较了从木质纤维素到富营养污泥等不同原料制备的n-BC性能差异，证实纳米结构化可使吸附容量提升3倍以上。特别发现N₂
热解氛围能选择性增强Zn(II)吸附，这一现象为定向设计特定金属吸附材料提供了新思路。通过揭示原料特性-热解参数-吸附性能的构效关系，推动了下一代环境修复材料的理性设计，对实现联合国可持续发展目标（SDGs）中清洁水源的愿景具有重要实践价值。