《Journal of Water Process Engineering》：A novel biochar prepared by co-pyrolysis of corn straw and arsenic-containing gypsum for the treatment of Pb pollution in water
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制备了含硫氟矿物相的多级孔生物炭GBC，显著提升Pb(II)吸附容量至339.97 mg/g（原始生物炭9.7倍），pH 3-7高效稳定，准二级动力学模型（R2=0.996），机理包括PbS/PbF?沉淀、离子交换及表面络合，砷泄漏量<0.5 mg/L达标，提出协同废物资源化新范式。
陈国亮|沈志勤|毛腾|刘凯新|谢志成|乔家成
湖南科技大学资源与环境安全工程学院，湘潭411201，湖南，中国
摘要
开发高效且低成本的吸附剂对于解决水中的铅污染至关重要。在本研究中，通过两种典型废弃物——玉米秸秆和含砷石膏的共热解，制备了一种具有多级孔结构并结合了硫/氟矿物相的新型生物炭吸附剂（GBC）。在1克/升的浓度和pH值为4的条件下，GBC的铅（II）吸附能力显著增强（339.97毫克/克），是原始玉米秸秆生物炭（BC，34.90毫克/克）的9.7倍。GBC在pH值3-7的范围内仍保持高效的铅（II）吸附性能。吸附动力学研究表明，吸附过程遵循准二级模型（R2 = 0.996），并在1小时内达到平衡。SEM-EDS、BET、FTIR、XRD和XPS的结果表明，GBC优异的铅（II）吸附能力归因于多种协同机制，包括硫/氟矿物相诱导的PbS/PbF?沉淀、Mg2?/Ca2?促进的离子交换以及表面络合作用。值得注意的是，在铅（II）吸附过程中，GBC的砷浸出浓度保持在0.5毫克/升以下，符合环境安全标准。本研究建立了一种废弃物资源化的协同策略，并提出了一种处理重金属污染的“废物转资源”新范式。
引言
随着现代工业活动的加剧，铅（Pb）作为一种最具毒性的重金属污染物，通过采矿、冶炼、电池制造等行业的废水排放，不断威胁着全球水生生态系统和人类健康[1,2]。在水生环境中，铅可以通过食物链在生物体内积累，导致生理紊乱（如生长受阻、繁殖失败）甚至大规模死亡，从而破坏水生生态系统的平衡。对于人类来说，长期接触受污染的水或食物中的铅（II）会损害神经系统、心血管系统和肾脏，还可能干扰血红蛋白的合成，导致贫血，并被监管机构列为致癌物[[3], [4], [5]]。鉴于铅（II）的高生物累积性和神经毒性，世界卫生组织（2021年）将其在饮用水中的最大允许浓度定为0.01毫克/升。目前，为应对铅污染问题，许多处理技术已被广泛研究和应用，如吸附、沉淀、电渗析、膜过滤等[[7], [8], [9]]。其中，吸附技术因其利用吸附剂的高比表面积和丰富的表面官能团来物理或化学固定水溶液中的铅（II）而成为最有前景的方法之一。由于其高效性、成本效益和操作简便性，吸附技术受到了广泛关注[10,11]。因此，开发低成本和高性能的吸附材料已成为水处理领域的重要研究方向。
脱硫石膏是非铁金属冶炼和烟气脱硫等工业过程的典型副产品，年产量约为2亿吨，历史累积量已超过11亿吨[[12]]。其中，含砷石膏（ABG）由于含有高浓度的砷（0.5%至10%），其资源利用率长期低于10%，这对工业固体废物的无害处置构成了严峻挑战。目前，共热解技术已成为固体废物资源化的一种有前景的策略。通过在限氧条件下诱导多组分原料之间的协同热解反应，该方法能够高效合成具有良好孔隙结构、高比表面积和丰富表面官能团的复合吸附剂[13,14]。Wang等人（2024年）研究表明，由污泥和硫酸钙共热解得到的生物炭的铅（II）吸附能力比传统生物炭高出五倍。这种增强效果主要归因于矿物沉淀和离子交换的协同作用。这些发现突显了共热解作为将多种固体废物有效转化为高性能吸附材料的有效途径的潜力。
玉米秸秆是一种大量产生的农业副产品，年产量约为16.6亿吨，占农业废弃物的27.2%。基于此，本研究创新地将含砷石膏与玉米秸秆结合，利用共热解技术同时实现含砷危险废物的处置和高性能吸附剂（GBC）的制备，并重点研究了其对水中铅的吸附性能及相关机制。这为开发低成本和高性能的重金属吸附材料提供了理论支持和技术途径，对于促进固体废物资源化和环境污染控制的协同发展具有重要意义。
材料与化学品
含砷石膏来自中国云南省的一家有色金属冶炼厂。X射线荧光（XRF）分析显示，样品中的砷含量为6.11%，其他主要元素包括Ca、O、F和S（表1）。
玉米秸秆是一种典型的农业废弃物，来自中国江苏省连云港市。所有样品均在60°C的电烘箱中干燥至恒重，然后研磨并通过80目筛子筛选，以便后续使用
SEM-EDS
图3展示了BC和GBC在铅（II）吸附前后的表面微观结构演变及其元素的空间分布模式。原始生物炭（BC）的表面（图3a）呈现出典型的热解碳质材料的均匀孔网络结构。这些孔的形成归因于玉米秸秆纤维素分解过程中水分和有机挥发性成分的去除[16]。相比之下，经过共热解后
结论
本研究通过共热解处理含砷石膏（ABG）和玉米秸秆，成功制备了一种具有多级孔结构和硫/氟矿物相的新型生物炭吸附剂（GBC），用于高效去除铅（II）。批次吸附实验表明，铅（II）的去除受pH值的影响较小，吸附过程遵循准二级动力学和朗缪尔吸附模型，并在1小时内达到吸附平衡。
CRediT作者贡献声明
陈国亮：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、资金获取、概念构思。沈志勤：实验研究。毛腾：初稿撰写、实验研究、数据管理。刘凯新：实验研究。谢志成：实验研究。乔家成：实验研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了湖南省教育厅科学研究基金（编号：24A0346）和湖南省自然科学基金（编号：2023JJ30230）的支持。
