共价有机框架修饰生物炭：一种新型土壤镉铅污染固定化修复材料

为解决土壤重金属污染治理难题，研究人员通过原位聚合将共价有机框架(COF)锚定于稻壳生物炭(RB)表面，成功制备COF-RB复合材料。该材料对Cd2+和Pb2+的吸附容量较原始生物炭提升5-7倍，土壤实验显示其可使有效态Cd、Pb降低42.7%-65.4%和23.3%-45.8%，并通过表面含氮基团络合促进重金属向稳定形态转化，为生物炭改性及土壤修复提供了新策略。

　　

随着工业快速发展，土壤重金属污染已成为威胁生态系统安全和人类健康的重大环境问题。镉(Cd)和铅(Pb)作为典型有毒重金属，易通过食物链富集引发肾损伤、神经毒性等疾病。传统修复材料如石灰、磷酸盐等存在二次污染风险，而生物炭虽具环境友好特性，但其吸附性能受原料和制备工艺限制差异显著。如何通过绿色改性提升生物炭对多金属的协同固定能力，成为环境修复领域的关键科学难题。

针对这一挑战，中国科学院城市环境研究所的研究团队创新性地将具有规则孔道结构和丰富表面官能团的共价有机框架(COF)与稻壳生物炭复合，开发出COF-RB新型修复材料。研究发现，COF的引入使材料比表面积从3.73 m²/g提升至14.61 m²/g，氮含量增加12倍，对Cd²⁺和Pb²⁺的最大吸附容量分别达40.56 mg/g和101.33 mg/g。土壤培养实验表明，3%用量的COF-RB可使有效态Cd、Pb降低超45%，并将重金属从易迁移态向铁锰氧化物结合态转化。该成果发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，为功能性环境材料的分子设计提供了新思路。

研究采用原位聚合合成COF-RB，通过SEM-EDS、XRD、FTIR、BET等技术表征材料结构，结合批量吸附实验和XPS分析揭示吸附机制。土壤实验采集湖南株洲冶炼厂污染土壤，采用Tessier连续提取法分析重金属形态变化，通过DTPA提取评估生物有效性。

材料表征显示，COF成功通过酰胺键与生物炭羧基共价结合，引入的C=N、N-C=O等含氮基团是吸附关键位点。吸附动力学符合准二级模型，等温线符合Freundlich模型，说明以化学吸附为主的多层吸附过程。XPS证实COF-RB中N-C=O基团与金属的配位作用，而原始RB主要依赖氧基团络合。

土壤修复效果方面，COF-RB处理组在28天使交换态Cd降低22.7%，碳酸盐结合态Pb减少16.1%，同时铁锰氧化物结合态Cd增加21.6%。值得注意的是，材料施用未显著改变土壤pH，说明污染物固定主要依赖表面官能团而非pH调节作用。生态毒性评估显示COF-RB处理的种子发芽指数达156%，显著高于对照组。

该研究证实COF修饰可同步提升生物炭的吸附性能和环境相容性。通过分子设计引入特定官能团，实现了对重金属污染物的精准捕获，为发展"功能导向型"环境材料提供了范例。未来需在不同类型污染场地验证材料的普适性，并优化规模化生产成本。这项工作不仅拓展了COF材料在环境领域的应用场景，也为生物炭改性研究开辟了共价嫁接的新路径，对推动土壤修复技术进步具有重要意义。