ZVI-生物炭复合材料的协同作用机制及其对地下水中Cr(VI)/Cd(II)/As(III)的同步高效去除

为解决多重金属污染地下水修复中PRB（可渗透反应屏障）材料效率低、成本高的问题，研究人员开发了ZVI/生物炭/火山渣复合材料，通过批次与柱实验证实该材料在最优配比（4:2:1）下对Cr(VI)、Cd(II)、As(III)的同步去除率分别达99.25%、98.97%和95.18%，并揭示了其以还原沉淀（Cr）、静电络合（Cd）和氧化共沉淀（As）为主的作用机制，为绿色修复提供新策略。

　　

地下水污染已成为全球性环境挑战，尤其采矿、冶炼等活动导致Cr(VI)、Cd(II)、As(III)等强致癌重金属共存于含水层，传统修复技术难以同步去除。可渗透反应屏障（PRB）虽具成本优势，但单一材料如零价铁（ZVI）易氧化板结，且对多金属协同去除效率不足。针对这一难题，中国某研究团队创新性地将ZVI与农业废弃物玉米秸秆生物炭、天然火山渣复合，开发出高效低成本的新型PRB材料，相关成果发表于《Process Safety and Environmental Protection》。

研究采用响应面法（RSM）优化材料配比，结合批次/柱实验评估动态去除效率，并运用XRD、SEM-EDS、XPS等表征技术解析机制。结果表明：

Optimal mix ratio of ZVI-biochar based composite
通过方差分析确定ZVI/生物炭/火山渣最佳配比为4:2:1，三金属竞争吸附顺序为Cd(II)>Cr(VI)>As(III)。

Synergistic removal mechanisms
表征显示Cr(VI)主要通过ZVI的还原作用转化为Cr(III)并形成Fe-Cr氢氧化物沉淀；Cd(II)依赖生物炭的羧基静电吸引及表面络合；As(III)则被ZVI氧化为As(V)后与铁氧化物共沉淀。Fe-C微电解、生物炭官能团与火山渣吸附的协同效应显著提升去除效率。

Application prospects and limitations
连续44天柱实验证实材料在pH 5-9范围内稳定，对Cl^-
、SO₄
^2-
等离子抗干扰性强，但HCO₃
^-
会抑制Cr/As去除。该复合材料可降低PRB系统成本30%以上，但长期运行中生物炭降解需进一步优化。

该研究为多金属污染地下水修复提供了兼具高效性与经济性的解决方案，其揭示的协同作用机制为设计多功能环境材料开辟了新路径。团队建议未来结合微生物强化技术以延长PRB服役寿命，推动该成果在矿区及工业场地的实际应用。