KOH改性油页岩生物炭：揭示污泥中Cu、Zn、Ni的稳定化机制及淋溶风险控制

本研究针对污泥土地利用中重金属二次污染问题，创新性地通过KOH浸渍油页岩热解制备生物炭（OS-BC），系统探究其对污泥中Cu、Zn、Ni的稳定化效果。结果表明，30% OS-BC添加量结合10天反应可使三种重金属活性态向稳定态转化率分别达37.29%、35.07%和46.72%，淋溶浓度降低60.3%~80.7%，为油页岩尾矿与污泥协同资源化提供了新路径。

　　

随着城市化进程加速，污水处理厂产生的污泥量激增，其中富含的重金属（如Cu、Zn、Ni）成为限制其土地利用的关键瓶颈。这些金属不仅可能通过食物链富集威胁人体健康，还会随雨水淋溶污染地下水。传统处理方法成本高且易造成二次污染，亟需开发经济高效的稳定化技术。与此同时，全球每年产生约9000万吨油页岩尾矿，这类富含矿物质的固体废弃物长期堆积不仅占用土地，其重金属渗出风险同样不容忽视。如何实现"以废治废"成为环境领域的研究热点。

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两种固体废弃物——油页岩尾矿与市政污泥相结合，通过KOH活化热解制备出多孔油页岩生物炭（OS-BC）。研究发现，这种新型材料具有64.3226 m²/g的比表面积和丰富的含氧官能团，能通过多重机制稳定重金属：SEM和BET表征显示其发达的孔隙结构可物理截留金属离子；FTIR证实表面羟基、羧基可通过配位作用形成稳定络合物；XRD与Visual MINTEQ模拟则揭示OH^-和CO₃^2-浓度的提升促进了金属氢氧化物/碳酸盐沉淀的生成。该研究发表于《Biochemical Engineering Journal》，为固体废弃物的协同资源化提供了重要理论支撑。

关键技术包括：采用KOH浸渍-热解联用法制备OS-BC；通过BCR连续提取法分析重金属形态转化；结合Visual MINTEQ 3.1软件模拟离子浓度变化；利用模拟降雨实验评估淋溶风险。

【材料表征】

OS-BC的灰分高达72.60%，富含蒙脱石等黏土矿物。SEM显示其表面形成蜂窝状孔隙，BET测得比表面积为64.3226 m²/g，FTIR检测到—OH和C=O等活性基团，为重金属固定提供了多重作用位点。

【稳定化效果】

30% OS-BC添加量作用10天时，Cu、Zn、Ni的活性态转化率分别达37.29%、35.07%和46.72%。模拟降雨实验证实其累计淋溶浓度较未处理组降低60.3%~80.7%，显著优于传统生物炭。

【机制解析】

XRD检测到Cu₂(OH)₂CO₃等新矿物相形成；MINTEQ模拟表明pH提升至8.5时，金属羟基络合物占比超过60%，证实沉淀作用主导稳定化过程。

该研究实现了"一石三鸟"的环境效益：既消纳了油页岩尾矿，又解决了污泥重金属风险，还为土壤改良提供了安全材料。特别值得注意的是，OS-BC对高迁移风险金属Ni的稳定化效率达46.72%，突破了传统生物炭对过渡金属固定效果差的瓶颈。研究团队提出的"矿物-有机协同稳定化"模型，为开发新型环境修复材料提供了理论范式。未来通过优化活化工艺进一步提升比表面积，有望使该技术在工业固废处理领域获得更广泛应用。