基于吸附效率-抗老化性-经济性耦合模型的生物炭结构调控策略及其在土壤重金属修复中的应用

针对生物炭长期土壤修复中存在的二次污染和高成本问题，研究人员通过耦合老化模型系统评估了不同热解条件下生物炭的吸附机制与稳定性。研究发现650o C玉米芯生物炭具有最优碳保留能力，稻壳生物炭可使Pb污染土壤修复成本降低56.5%（13.86→5.55美元/m3 ），为抗老化生物炭设计提供了理论依据。

　　

随着全球工业化进程加速，土壤重金属污染(HMs)已成为威胁粮食安全的"隐形杀手"。在众多修复技术中，生物炭因其卓越的吸附性能和环境友好特性崭露头角。然而，这个"土壤卫士"在长期服役过程中会遭遇阳光、雨水和微生物的联合"攻击"，导致结构老化、功能衰退，甚至将已固定的重金属重新释放回环境——这种二次污染风险如同埋下"环境定时炸弹"。更棘手的是，当前研究多聚焦于生物炭的初始性能优化，对其长达数十年服役期的稳定性认知仍存在巨大空白。传统自然老化实验需耗时5-15年，而实验室单因素加速老化方法又难以模拟真实环境的复杂相互作用。这种认知鸿沟严重阻碍了生物炭的大规模应用，亟需建立科学的多因素耦合老化评价体系。

华中科技大学的研究团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表的研究中，创新性地构建了耦合老化模型，系统探究了不同热解条件下生物炭的演化规律。通过综合吸附效率、抗老化性和经济性三维评价体系，揭示了生物炭结构调控与重金属固定化效果的关联机制，为设计长效稳定的土壤修复材料提供了新范式。

研究采用多技术联用策略：通过人工加速耦合老化实验模拟长期环境作用；运用X射线光电子能谱(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)追踪表面官能团演变；结合连续提取法分析重金属形态转化；建立经济效益模型量化修复成本差异。研究团队选取玉米芯、稻壳和竹材三种典型生物质，在300-650^o
C梯度热解制备生物炭，系统考察其在模拟酸雨、冻融循环和热氧化等多因素耦合老化过程中的性能变化。

材料与方法
研究选用Pb(NO₃
)₂
和Cd(NO₃
)₂
·6H₂
O配制污染溶液，通过控制热解温度（300-650^o
C）和原料类型制备差异化生物炭。耦合老化实验整合了化学氧化（K₂
CrO₄
/H⁺
）、湿热循环和冻融交替等多重环境应力。

物理性质变化
扫描电镜显示650^o
C热解的竹材生物炭(BBC650)保留最完整的管状结构，而玉米芯生物炭(CBC650)呈现蜂窝状多孔网络。老化后所有样品表面出现明显腐蚀，但BBC650的孔隙塌陷程度最低，证实高温热解增强结构稳定性。比表面积分析发现老化使稻壳生物炭(RBC650)介孔率提升12.3%，有利于重金属的长期截留。

吸附效率与稳定性机制
XPS分析揭示氧官能团（C=O、-COOH）含量与Pb²⁺
吸附量呈正相关（R²
=0.83）。特别值得注意的是，高温生物炭中矿物沉淀态重金属占比达41.7%，较中温样品提高近2倍，这种形态转化显著降低重金属再活化风险。同步辐射分析证实，老化过程中形成的Pb₃
(PO₄
)₂
等稳定矿物相是维持长期固定化的关键。

经济性评估
基于30年服役周期的成本核算显示，稻壳生物炭修复Pb污染土壤的成本仅5.55美元/m³
，较竹材生物炭降低56.5%。敏感性分析表明，原料可获得性和热解能耗是影响经济性的核心因素，其中运输成本占总支出比例高达38%。

这项研究突破了传统单因素老化评价的局限，首次建立了"吸附-稳定-成本"多维优化模型。研究发现高温热解（650^o
C）既能促进矿物沉淀态重金属形成，又可减少溶解性有机物(DOM)释放，实现"固碳"与"锁金属"双赢。特别值得关注的是，研究提出的耦合老化模拟方法，仅需2个月即可等效百年自然老化，为快速评估生物炭服役性能提供了标准化工具。从应用角度看，稻壳生物炭的经济优势为发展中国家重金属修复提供了高性价比方案，而玉米芯生物炭的碳保留特性则对碳中和目标具有特殊意义。该成果不仅为生物炭结构设计提供了理论指导，更推动了土壤修复从"短期有效"向"长效安全"的理念转变。