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老化作用对菌糠生物炭吸附与稳定重金属镉的多维度解析

一、引言

1.1研究背景

1.1.1重金属镉污染现状

重金属镉（Cd）作为一种具有高毒性、生物累积性和难降解性的重金属元素，在自然环境中分布广泛，对生态环境和人类健康构成了严重威胁。在土壤环境方面，随着工业化进程的加速以及农业生产中含镉化肥、农药的不合理使用，土壤镉污染问题日益凸显。中国部分地区的农田土壤中镉含量超标情况较为严重，尤其是在一些矿业活动频繁的区域，如广东、江西、湖南等地，由于镉矿的开采和冶炼，大量镉元素通过废气、废水和废渣排放到环境中，导致周边土壤镉污染。相关研究表明，土壤中过量的镉会影响农作物的生长发育，降低作物产量和品质，还会通过食物链的富集作用进入人体，对人体健康造成潜在危害。

在水体环境中，镉污染同样不容忽视。工业废水的排放是水体镉污染的主要来源之一，一些电镀、化工、电子等行业在生产过程中产生的含镉废水未经有效处理就直接排入河流、湖泊等水体，导致水体镉含量升高。有研究发现，在一些矿区周边的河流中，水镉含量超出正常标准数倍，严重影响了水生生态系统的平衡，导致水生生物种类和数量减少，生物多样性降低。同时，被镉污染的水体若用于灌溉，会进一步加剧土壤镉污染，形成恶性循环。

镉对人体健康的危害具有多样性和隐蔽性。当人体长期暴露于含镉环境中，镉会在体内蓄积，主要损害肾脏、骨骼、呼吸系统等器官。在肾脏方面，镉会损伤肾小管，导致肾功能障碍，出现糖尿、蛋白尿和氨基酸尿等症状，严重时可发展为肾衰竭。在骨骼系统，镉会影响钙的代谢，导致骨质疏松、骨质软化和骨骼疼痛，甚至引发骨折。镉还具有致癌性，长期接触镉会增加患肺癌、前列腺癌等癌症的风险。日本曾发生的“痛痛病”事件，就是由于长期食用被镉污染的大米，导致镉在人体内大量蓄积，引发了严重的骨骼病变和疼痛，给当地居民带来了巨大的痛苦和损失。

1.1.2生物炭在重金属污染治理中的应用

生物炭是一种由生物质在限氧条件下通过高温热解得到的富碳固体材料。其具有独特的物理化学性质，使其在重金属污染治理领域展现出巨大的应用潜力。从物理性质来看，生物炭具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，能够提供大量的吸附位点，从而增强对重金属离子的物理吸附作用。研究表明，生物炭的比表面积越大，其对重金属的吸附容量越高。

在化学性质方面，生物炭表面含有丰富的含氧官能团，如羧基（-COOH）、羟基（-OH）、酚羟基等，这些官能团能够与重金属离子发生络合、离子交换等化学反应，形成稳定的化学键，从而实现对重金属离子的化学吸附。生物炭还具有较高的阳离子交换容量（CEC），能够与土壤中的重金属离子进行交换，降低重金属离子的活性和生物有效性。

生物炭对重金属的吸附固定原理主要包括以下几个方面：一是静电作用，生物炭表面带有负电荷，而重金属离子通常带正电荷，两者之间通过静电引力相互吸引，从而实现吸附；二是离子交换作用，生物炭表面的阳离子（如K+、Ca2+、Mg2+等）可以与溶液中的重金属离子进行交换，将重金属离子固定在生物炭表面；三是沉淀作用，生物炭中的一些矿物质成分（如CaCO3、MgO等）可以与重金属离子发生化学反应，生成难溶性的沉淀物，从而降低重金属离子的溶解度和迁移性；四是络合作用，生物炭表面的含氧官能团能够与重金属离子形成稳定的络合物，提高重金属离子的稳定性和固定效果。

与传统的重金属污染治理方法相比，生物炭具有诸多优势。生物炭的制备原料来源广泛，包括农作物秸秆、木屑、动物粪便等农业废弃物，不仅可以实现废弃物的资源化利用，减少环境污染，还能降低治理成本。生物炭对重金属的吸附固定效果显著，能够在一定程度上降低土壤和水体中重金属的含量，减少其对生态环境和人类健康的危害。生物炭还具有改良土壤结构、提高土壤肥力、促进植物生长等多重功效，能够在治理重金属污染的同时，改善土壤环境质量，提高农作物产量和品质。

1.1.3菌糠的资源化利用与菌糠生物炭

菌糠是食用菌栽培过程中产生的废弃物，其主要成分包括木质素、纤维素、半纤维素以及一些矿物质等。随着食用菌产业的快速发展，菌糠的产量也日益增加。据统计，中国每年菌糠的产量高达数千万吨。如果这些菌糠得不到有效的处理和利用，不仅会占用大量的土地资源，还会对环境造成污染。因此，实现菌糠的资源化利用具有重要的现实意义。

菌糠生物炭的制备方法主要是通过热解技术，将菌糠在无氧或限氧条件下加热至一定温度，使其发生热分解反应，生成生物炭、生物油和可燃性气体等产物。热解温度、升温速率、热解时间等热解条件对菌糠生物炭的性质和结构有着重要影响。一般来说，随着热解温度的升高，菌糠生物炭的含碳量增加，比表面积增大，孔隙结构更加发达，但其表面官能团的种类和数量会发生变化，从而影响其对重金属的吸附性能。

菌糠作为制备生物炭的原料具有诸多可行性。菌糠来源