硅改性氮自掺杂荷叶生物炭对Pb2+和Cd2+的吸附行为与机制：资源化利用与高效重金属去除

针对水生植物废弃物资源化及重金属污染治理难题，研究人员以荷叶为原料，结合工业副产物微硅粉，制备了硅改性氮自掺杂生物炭（Si@N-BC），其对Pb2+和Cd2+的最大吸附容量分别达363.60 mg/g和56.04 mg/g，揭示了离子交换、表面沉淀及含氧/氮/硅官能团络合的多重作用机制，为低成本高效吸附剂开发提供了新思路。

　　

随着工农业快速发展，重金属污染已成为威胁水生态安全和人类健康的严峻问题。铅（Pb²⁺）和镉（Cd²⁺）因其强毒性和生物累积性，尤其令人担忧。与此同时，富营养化水体中大量水生植物（如荷叶）因储存运输成本高而难以处理，造成资源浪费。传统生物炭对重金属的吸附效率有限，如何通过绿色改性提升其性能成为研究热点。

针对这一挑战，来自湖南农业大学的研究团队创新性地将荷叶与工业副产物微硅粉结合，制备出硅改性氮自掺杂生物炭（Si@N-BC）。该材料不仅实现了荷叶和微硅粉的资源化利用，更展现出卓越的重金属吸附能力。相关成果发表于《Biochemical Engineering Journal》，为重金属污染治理提供了经济高效的解决方案。

研究团队采用三大关键技术：1）以富氮荷叶为原料，通过热解法制备氮自掺杂生物炭（N-BC）；2）利用微硅粉转化为水玻璃，实现生物炭的硅改性；3）通过Langmuir模型和动力学实验分析吸附机制。实验选取实际水体（湖南桃子湖）和工业含铬废水作为验证样本，确保研究结果的实用性。

材料优化与表征
通过对比不同硅含量的Si@N-BC发现，硅掺杂显著提升比表面积和孔隙率，XRD显示硅以石英和硅酸盐形式存在。最佳配比的Si@N-BC(1:1)对Pb²⁺和Cd²⁺的吸附量分别达363.60 mg/g和56.04 mg/g，较未改性生物炭提升显著。

吸附机制解析
动力学实验表明化学吸附为主导过程。FTIR和XPS证实，含氧（-COOH）、含氮（-NH₂）和含硅（SiO₃^2-）官能团通过络合作用协同增强吸附性能，同时存在离子交换与表面沉淀贡献。

实际应用验证
在模拟废水和真实水体中，Si@N-BC均表现出稳定吸附能力，且经5次循环后仍保持80%以上效率，凸显其工程应用潜力。

该研究不仅为荷叶和微硅粉的资源化利用开辟新途径，更通过多官能团协同作用机制的设计，为开发低成本高效吸附剂提供了范式。研究团队特别指出，Si@N-BC的制备过程无需昂贵化学试剂，符合碳中和战略需求。未来可进一步探索其对其他重金属（如Cr⁶⁺）的吸附性能，推动其在复杂污染体系中的应用。