镁-超声改性秸秆生物炭对水中Cd2+的吸附特性与机制研究及其环境应用价值

本文推荐一种通过镁负载联合超声改性制备水稻秸秆生物炭（UMBC）的新方法，其对水中Cd2+的吸附量达180.49 mg/g（Langmuir模型），显著优于原始生物炭（BC）及单一改性材料。研究表明其吸附机制以离子交换和沉淀作用为主，化学吸附（chemisorption）为主导过程，为重金属污染治理提供了高效低成本的解决方案。

　　

Highlight

材料

生物炭原料水稻秸秆采集自中国重庆荣昌农户家。实验使用去离子水配制所有分析级试剂，主要化学品包括CdCl₂?2.5H₂O（分析级）和MgCl₂·6H₂O（分析级），购自阿拉丁公司。Cd²⁺溶液采用CdCl₂?2.5H₂O配制。

生物炭制备方法

水稻秸秆经去离子水清洗2-3次，60°C烘干后切碎，通过限氧控温 pyrolysis（热解）工艺制备基础生物炭（BC）。镁改性生物炭（MBC）采用MgCl₂溶液浸渍结合高温煅烧法负载镁氧化物；超声改性生物炭（UBC）通过超声破碎仪处理原始生物炭；超声-镁复合改性生物炭（UMBC）则先后经历镁负载和超声处理，最终获得高活性吸附材料。

SEM分析

扫描电镜（SEM）是研究材料表面微观结构的常用手段。超声处理后的生物炭表面形态显著优于原始生物炭，孔隙更丰富且表面更光滑（图1）。如图1(b)所示，超声使UBC表面形成穿孔结构，微通道更加开放，促进了更多微孔的形成，从而增大了其比表面积。这种结构提升为污染物吸附提供了更多活性位点，堪称材料的"分子级别装修术"。

结论

本研究通过热解水稻秸秆制备生物炭，并成功开发出镁负载联合超声改性的高效吸附材料（UMBC），用于去除水中Cd²⁺。吸附实验结果表明，在pH=7条件下，BC、UBC、MBC和UMBC对Cd²⁺的去除率分别达到67.48%、80.54%、99.89%和99.83%。可见镁与超声的联合改性对生物炭吸附性能具有显著协同增强效果。