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板栗总苞生物炭对重金属Pb的吸附钝化研究

摘要

我国铅锌矿储量较大，建国初期为促进经济发展而大量开采，铅锌矿开采造成

的铅污染问题逐渐凸显出来。Pb因其毒性大、隐蔽性强和难降解等特点，严重危害

人体健康和生存环境。生物炭因其孔径结构丰富、官能团和表面活性位点多而被广

泛应用于重金属修复。研究结果表明，生物炭施入重金属污染土壤，能够有效增大

土壤孔隙度提升土壤肥力，但存在重金属吸附能力有限等问题，需进行必要的改性

处理以增强吸附效果。基于我国板栗资源丰富、年产量高、板栗废弃物多的特点，

对板栗总苞进行回收利用，对植物资源的可持续利用及环境保护都有很大作用。本

研究应用扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）、比表面积（BET）等表征方

法，探究了不同热解温度制备的板栗总苞生物炭在元素组成和结构上的差异；利用

单因素试验，研究改性生物炭在不同条件下吸附率变化趋势，引入响应面优化法，

探究改性生物炭对Pb2+吸附试验的最优试验参数；采用土壤培养试验，探究施入

KMnO-BC对Pb的钝化作用，并在冻融循环过程中观察土壤理化性质和重金属赋

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存形态的变化。研究结果有助于开发高性能、低成本的生物质原材料，并为生物炭

钝化修复重金属Pb污染土壤提供参考价值和理论依据。本研究主要得到以下结果：

1.不同热解温度制备的生物炭结构和元素组成存在差异。随着温度升高，生

物炭具有更高的比表面积和更丰富的孔隙结构，pH值增加，碱性增强，芳香性增

强；BC-600灰分增加120%，产率降低34.88%，比表面积增大约258倍。

2.经高锰酸钾、磷酸和氢氧化钾改性的生物炭结构变化明显。改性后三种改

性生物炭的比较面积均增加，微观形态变化明显，表面坍塌未完全形成；KMnO-

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BC具有更高的比表面积和孔隙结构，且出现了锰氧化物附着。

3.KMnO-BC、HPO-BC和KOH-BC的响应面优化试验表明，生物炭添加量、

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溶液pH值和溶液初始浓度为吸附Pb的显著影响因子，得到的最优参数为添加量

0.06g；溶液初始pH为5，溶液初始浓度为120mg/L；该参数条件下实际吸附率分

别为98.35%、95.59%和97.58%，模型的准确率分别为97.04%、94.74%和97.89%。

4.土壤中施入KMnO-BC的钝化试验表明，生物炭添加量和重金属钝化效果

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呈正相关关系，当添加量为3%时，弱酸可提取态含量为12.75%，降低了48.45%；

钝化时间和钝化效果呈正相关关系，且10d-30d为快速钝化时期；添加生物炭后，

弱酸可提取态含量降低，可还原态、可氧化态和残渣态含量升高，钝化效果明显。

5.添加3%KMnO-BC冻融循环试验中，随着冻融频次增加，钝化速率呈现先

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上升后下降趋势，在第9d时接近平衡，此时，处理组残渣态高于对照组12.18%，

土壤有机质和阳离子交换量均呈现先上升后下降趋势；当土壤初始含水率变化时，

弱酸可提取态含量呈现先下降后上升趋势，含水率为45%时达到峰值。表明，土壤

初始含水率过高会抑制钝化效果。

关键词：改性生物炭；响应面优化；板栗总苞；土壤钝化；冻融循环

AdsorptionandpassivationofheavymetalPbon

chestnutinvolucrebiochar

Abstract

Chinahassubstantialreservesofleadandzincores,whichwereextensivelyminedin

theearlyyearsofthenationsestablishmenttoboosteconomicgrowth.Thelea