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生物炭是由生物质在厌氧缺氧条件下高温热解制备的难溶稳定、高度芳香化的富碳物质。因其巨大的比表面积,丰富的含氧官能团以及大量表面电荷等性质,近年来被广泛用于土壤重金属和有机物的吸附与固定化修复研究。同时,生物炭还可以作为一种土壤改良剂,可增强土壤养分的持留,提高粮食产量,并能有效增加土壤碳汇,固定大气中的CO2,有望减缓全球气候变暖。近年来,有关生物炭内部结构及其吸附性能的探究已经逐渐成为环境化学界的研究热点之一,被喻为一种绿色环境友好型固定化修复剂。探究不同原料制备的生物炭的结构和性能及其对黄土吸附重金属的影响机制,可以为固定化修复重金属污染黄土的应用提供理论依据。因此,本文以甘肃省典型的农业废弃物马铃薯秸秆、棉花秸秆和猪粪为原料,在300℃和500℃下制备生物炭(分别标记为BPS300、BPS500、BCS300、BCS500、BPM300和BPM500)。通过优选后,选取BPS300、BCS500和BPM500,通过扫描电镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等手段,并结合元素和孔径分析等手段对生物炭与黄土的结构和性质进行表征;在溶液体系下,以批量平衡法研究黄土、生物炭和加炭黄土在不同吸附时间、初始溶液pH值、初始重金属浓度下对Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附特征,结合吸附前后的表征结果,探讨吸附性能与生物炭和黄土结构性质之间的关系,推断可能存在的吸附机制。并研究了Cd(Ⅱ)-Zn(Ⅱ)共存体系下两者吸附的交互作用特性,考察其具体的影响机制,为后续的固定化应用研究提供必要的前期数据和参考依据。主要得到以下结论:⑴对BPS300、BCS500、BPM500和黄土(Loess)的结构和组成进行了表征。结果显示,生物炭主要含有C、H、O、N、S等元素,BPS300和BCS500的芳构化程度较高,BPM500的极性和亲水性更强。黄土的比表面积和微孔面积不如生物炭的大,由此说明生物炭的孔隙更致密。黄土表面粗糙,附着凹凸物,BPS300和BCS500呈层状叠合,孔隙明显,比表面积大,BPM500呈蜂窝团状固体,大孔丰富,微孔较少。FTIR图谱定性说明三种生物炭内部羟基,羧基和内酯基的存在,Loess的谱图与BPM500相似。XRD图谱分析可知,BPM500,Loess和BPS300均含有明显的石英SiO2主峰,生物炭和黄土的晶型结构均呈现完整有序的形态。⑵研究了BPS300、BCS500、BPM500和黄土及加炭黄土(依次标记为LBPS、LBCS和LBPM)对Cd(Ⅱ)的吸附特性。结果表明,随着溶液初始pH值的增加,吸附剂对Cd(Ⅱ)的吸附过程均呈现先快后慢再快的上升趋势,吸附能力的大小顺序为BCS500>LBCS>BPS300>LBPS>LBPM>Loess>BPM500;黄土对Cd(Ⅱ)的吸附在1 h时基本达到平衡,生物炭和加炭黄土则在10 h左右平衡;生物炭、黄土以及加炭黄土对Cd(Ⅱ)的吸附量均随着溶液初始浓度的增加而增加。动力学模型符合准二级动力学方程,相关系数R2达到0.9980以上,吸附等温线以Freundlich模型拟合相关性更高。实验条件下,生物炭的添加均提高了黄土对Cd(Ⅱ)的吸附能力。通过吸附前后表征结果的对比推断,生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附机制主要是离子交换和阳离子-π作用,而黄土对Cd(Ⅱ)的吸附主要是黄土中的石英、高岭石等黏土矿物以及天然有机质中的羧基官能团的贡献。⑶研究了吸附时间、初始溶液pH值和初始重金属浓度对BPS300、BCS500、BPM500、Loess、LBPS、LBCS和LBPM吸附Zn(Ⅱ)的影响。结果显示,吸附剂对Zn(Ⅱ)的吸附量随溶液初始pH值的增加而增加,但各阶段的增加幅度略有差异,Loess对Zn(Ⅱ)的吸附在14 h时基本达到平衡,而BPS300、BPM500和BCS500均在1 h左右平衡,生物炭、黄土以及加炭黄土对Zn(Ⅱ)的吸附量随着溶液初始浓度的增加而增加。动力学模型符合准二级动力学方程,吸附等温线以Freundlich模型拟合相关性更高。实验条件下,生物炭的施入对黄土吸附Zn(Ⅱ)的性能并没有显著影响,生物炭对Zn(Ⅱ)的吸附机制主要是酸性含氧官能团的表面络合和氢键的作用,而黄土的吸附机理与Cd(Ⅱ)的基本一致。⑷研究了Zn(Ⅱ)-Cd(Ⅱ)共存体系下,两种金属的吸附交互作用特性。通过对比,生物炭、黄土和加炭黄土对Cd(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)吸附量均小于单一体系下各自的吸附量,且Zn(Ⅱ)的降幅更大一些。推断两种金属因为化学性质相似,在混合条件下会相互竞争有效的结合位点,表现为拮抗吸附作用。