酸性环境中磷酸盐改性生物炭-矿物复合材料对重金属的去除：开发与效能研究

为解决高浓度低pH条件下生物炭吸附能力不足及易氧化问题，研究人员通过表面磷酸盐修饰与矿物负载双重策略，开发出绿色混合设计磷酸盐改性生物炭-矿物复合材料（GMDPC）。该材料在酸性环境中对铜、铅等重金属表现出卓越吸附效率，并通过SEM-EDS、XRD等技术验证其机制，为极端酸性环境重金属污染治理提供新方案。

　　

重金属污染已成为全球性环境问题，尤其在酸性矿山排水、工业废水等极端低pH（1-2）环境中，铜(Cu²⁺)、铅(Pb²⁺)等重金属离子迁移性强，对生态系统和人类健康构成严重威胁。传统生物炭虽成本低廉且环保，但在高浓度重金属和低pH条件下吸附能力显著下降，且易发生氧化老化。如何提升生物炭在极端环境中的稳定性和吸附效能，成为环境修复领域的核心挑战。

针对这一难题，中国国内研究机构的研究人员创新性地将磷酸盐表面修饰与非黏土硅铝矿物（沸石、珍珠岩）负载相结合，开发出绿色混合设计磷酸盐改性生物炭-矿物复合材料（Green Mixed Design Phosphate-Modified Biochar-Mineral based Composite, GMDPC）。该研究通过响应面法系统优化材料配比，并在pH 0-2的极端条件下验证其性能，相关成果发表于《Applied Clay Science》。

研究采用三项关键技术：1）磷酸盐改性火龙果皮生物炭(P@DPC)的低温热解制备（400-600°C）；2）基于Box-Behnken响应面法的组分设计优化；3）结合SEM-EDS（扫描电镜-能谱）、XRD（X射线衍射）和FTIR（傅里叶变换红外光谱）的多尺度表征。

GMDPC吸附测试与组分设计

通过17组实验验证，GMDPC在pH=2、Cu²⁺浓度400 mg/L条件下吸附量显著优于单一组分。矿物负载赋予材料pH缓冲能力，珍珠岩(PL)与沸石(ZL)的硅铝结构形成抗氧化保护层。

磷酸盐改性生物炭表征

SEM显示500°C热解时磷-硅混合物均匀覆盖生物炭表面（图S1），FTIR证实磷酸酯(P=O)和硅氧烷(Si-O-Si)键形成，XRD检测到Cu₃(PO₄)₂沉淀物，揭示化学吸附机制。

讨论与局限性

GMDPC通过多层-单层协同吸附实现高效重金属固定，磷酸基团提供配位位点，矿物增强结构稳定性。但未监测吸附后pH值变化，未来需结合XPS（X射线光电子能谱）深入解析界面反应。

结论与意义

该研究突破性地将磷酸盐修饰与硅铝矿物整合，创制出适用于极端酸性环境的GMDPC材料。其创新点在于：1）低中温热解（400-600°C）保留生物炭孔隙结构与磷活性位点；2）非黏土矿物协同提升抗氧化性；3）在pH 0-2条件下对Cu²⁺/Pb²⁺的吸附量达传统生物炭3倍以上。这项技术为南方酸性水系重金属污染治理提供了经济高效的解决方案，尤其适用于中国矿区及工业废水处理场景。