KOH活化油页岩生物炭(OS-BC)对污泥中Cu/Zn/Ni的稳定化机制及环境风险控制研究

针对污泥土地利用中重金属二次污染难题，研究人员创新性地采用KOH浸渍油页岩热解制备多孔生物炭(OS-BC)，通过SEM/BET/XRD等多维表征证实其比表面积达64.3226 m2/g。研究发现30% OS-BC添加量作用10天可使污泥中Cu/Zn/Ni活性态向稳定态转化率分别达37.29%/35.07%/46.72%，模拟降雨实验显示重金属累积浸出浓度降低60.3%~80.7%，为油页岩尾矿与污泥协同资源化提供新路径。

　　

随着城市化进程加速，市政污泥的土地利用面临严峻挑战——其中富集的重金属可能通过食物链富集或污染地下水，直接威胁生态环境安全。传统生物炭材料虽能通过吸附、沉淀等机制固定重金属，但原材料局限性和处理效率不足制约其应用。与此同时，全球每年产生近9000万吨油页岩尾矿，这类富含矿物质的固体废弃物亟待开发高值化利用途径。

基于"以废治废"的循环经济理念，来自辽宁抚顺矿业集团与沈阳建筑大学的研究团队创新性地将油页岩尾矿转化为环境修复材料。研究人员通过KOH活化热解制备油页岩生物炭(OS-BC)，系统探究其对污泥中Cu、Zn、Ni三种高风险重金属的稳定化效果及机制，相关成果发表于《Biochemical Engineering Journal》。

研究采用多学科技术方法：通过SEM-BET-FTIR联用技术表征OS-BC的孔隙结构（比表面积64.3226 m²/g）和表面官能团；运用BCR连续提取法分析重金属形态转化；结合Visual MINTEQ 3.1软件模拟与XRD衍射图谱解析稳定化机制；设计模拟降雨实验评估环境风险。

【Characterization of OS-BC】

电镜扫描显示OS-BC具有发达的多级孔结构，灰分含量高达72.60%，富含Ca、Mg等矿物元素。FTIR检测到-OH、-COOH等活性基团，BET证实其介孔占比达58.33%，为重金属固定提供丰富反应位点。

【Speciation transformation】

当OS-BC添加量30%作用10天时，污泥中Cu、Zn、Ni的活性态（酸溶态+可还原态）向稳定态（可氧化态+残渣态）转化率分别达到37.29%、35.07%和46.72%。XRD分析发现新增了Cu₂(OH)₂CO₃、ZnCO₃等稳定矿物相。

【Stabilization mechanism】

Visual MINTEQ模拟揭示OS-BC通过三重机制协同作用：①释放OH^-、CO₃^2-等离子促进重金属生成氢氧化物/碳酸盐沉淀；②表面含氧基团与金属离子络合；③矿物组分通过离子交换固定重金属。

【Environmental risk assessment】

模拟降雨实验中，OS-BC处理组Cu、Zn、Ni的累积浸出浓度较未处理组降低60.3%、80.7%和79.3%，浸出动力学符合Elovich方程（R²>0.95），证实环境风险显著降低。

该研究首次实现油页岩尾矿与市政污泥的协同资源化：一方面将油页岩转化为高效环境修复材料，另一方面使污泥中重金属达到农用标准。Dasong Xing、Hao Guan等作者指出，OS-BC中矿物组分与生物炭的协同效应创造了"1+1>2"的稳定化效果，其72.60%的灰分含量显著高于传统生物炭（通常<30%），这为工业固废高值化利用提供了新思路。研究不仅为突破污泥土地利用瓶颈提供了关键技术支撑，更建立了"固废-环保材料-土壤修复"的循环经济新模式，具有重要的环境效益和工程应用价值。