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我国土壤和水体中重金属砷和镉污染较严重,生物炭由于其具有优异的重金属吸附性能,越来越受科研工作者关注。本文以玉米芯为原料制备生物炭,对其进行7种官能团接枝和元素负载改性研究,优选出高效吸附Cd2+材料氰基接枝生物炭(MBC350)和高效同步去除Cd2+、H2AsO4-离子材料负载TiO2生物炭(BCTD),研究了制备条件和环境因子对生物炭去除水体和土壤中Cd2+、H2AsO4-影响规律,深入探究了生物炭与砷和镉污染物的作用机理。首先,MBC350制备最佳药剂条件为NaOH 4.5 g/g,尿素14 g/g和丙烯腈1.6 mL/g;BET和FTIR表明改性使MBC350的比表面积及孔体积增大,-CN接枝在生物炭的木质素上;XPS分析得出Cd2+的去除是由于Cd2+与MBC350的-CN形成Cd-N络合物,且与生物炭表面Na+发生了离子交换作用;溶液共存Ca2+、Pb2+、H2AsO4-可降低MBC350对Cd2+吸附能力,而K+、Cl-和NO3-影响较小;准二级动力学和Freundlich模型较好描述MBC350对Cd2+吸附特征,其吸附Cd2+容量为85.65 mg/g。其次,BCTD制备最佳工艺为生物炭水热超声15 min,钛酸丁脂5 mL/g,反应1 h,100℃密闭干燥;结果发现,负载改性极大提高了生物炭的比表面积和总孔体积,并负载大量球状纳米TiO2颗粒,增强了 BCTD化学吸附-络合及离子交换作用,其对Cd2+和H2AsO4-的朗格缪尔吸附量分别可达72.62 mg/g和118.06 mg/g,热力学分析得出砷镉去除过程是吸热自发不可逆反应;在Cd2+和H2AsO4-共存体系中,二者初始浓度<100 mg/L,在BCTD上具有协同吸附作用,反之则具有竞争吸附效应。生物炭对不同类型土壤中重金属镉和砷的钝化试验结果表明,与空白组相比,BCTD对黄壤中镉和砷钝化效率提高了 54.05%和27.37%,对褐土中镉和砷的钝化效率提高了 100%和72.03%,效果显著。机理研究发现,在黄壤中BCTD增加了土壤TN、aK及TOM含量,促进重金属钝化,提高微生物的丰富度及活性;在褐土中BCTD可提高土壤pH、促进重金属的钝化,提高以碳水化合物类和羧酸类为碳源的微生物生长;逐级提取和主成分分析结果显示BCTD使重金属可交换态、还原态转换成残渣态,C/O 比值小的生物炭有利于砷的钝化,比表面积和总孔体积大的生物炭有利于镉的钝化。本研究成果将为农业废弃物资源化及生物炭的推广使用提供借鉴,为水环境中重金属治理及土壤中重金属污染修复提供技术支撑,特别是对共存阴阳重金属离子砷和镉的污染治理具有重要指导意义。