吉林大学学报(地球科学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (1): 245-253.doi: 10.13278/j.cnki.jjuese.20230127

• 地质工程与环境工程 • 上一篇    下一篇

钙铁生物炭对水中铅的去除性能及机理

赵钰1，刘鹏1,2，唐金平1，叶志航1，郭林3，周子艺1，冯宇1   

  1. 1.中国地质大学（武汉）环境学院，武汉 430074
    2.中国地质大学（武汉）长江流域环境与水生科学湖北省重点实验室，武汉 430074
    3.河南省地质研究院，郑州 450001
  • 收稿日期:2023-05-15 出版日期:2025-01-26 发布日期:2025-02-07
  • 通讯作者: 唐金平（1995-），男，博士研究生，主要从事地下水重金属污染修复等方面的研究，E-mail：tangjinping@cug.edu.cn
  • 作者简介:赵钰（1996-），女，硕士研究生，主要从事地下水重金属污染修复等方面的研究，E-mail：1104959498@qq.com
  • 基金资助:
    河南省地质局局管地质环境项目（豫地环〔2021〕2号）；国家重点研发项目(2019YFC1803603)

Removal Performance and Mechanism of Lead in Water by Calcium-Iron Biochar

Zhao Yu1, Liu Peng1,2, Tang Jinping1, Ye Zhihang1, Guo Lin3, Zhou Ziyi1, Feng Yu1   

  1. 1.  School of Environmental Studies, China University of Geosciences （Wuhan）, Wuhan 430074, China
    2.  Hubei Key Laboratory of Yangtze Catchment Environmental, Aquatic Science, China University of Geosciences, 
    Wuhan 430074, China
    3.  Henan Academy of Geology, Zhengzhou 450001, China
  • Received:2023-05-15 Online:2025-01-26 Published:2025-02-07
  • Supported by:
    the Geological and Environmental Project of Local Management of Henan Provincial Geological Bureau (Yudihuan \[2021\] No. 2) and the National Key Research and Development Program of China (2019YFC1803603)

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摘要： 为了制备钙铁改性生物炭，优化单一铁改性生物炭对Pb(Ⅱ)的去除效果，获得能够高效去除水中Pb(Ⅱ)且便于回收的生物炭，本研究以杨木、竹子为原材料，分别制备了杨木生物炭（包括未改性、FeSO4改性、CaCO3+FeSO4改性、CaO+FeSO4改性）和竹子生物炭（包括未改性、FeSO4改性、CaCO3+FeSO4改性、CaO+FeSO4改性）等8种生物炭。首先通过批实验评估不同生物炭对地下水中Pb(Ⅱ)的修复性能，然后结合扫描电镜（SEM）和X射线吸收近边结构光谱（XANES）等手段探究不同生物炭对地下水中Pb(Ⅱ)的固定机理。结果表明：钙铁（CaCO3+FeSO4、CaO+FeSO4）改性生物炭对Pb(Ⅱ)的去除率显著高于铁（FeSO4）改性生物炭，其中以CaO为钙源的钙铁改性生物炭对Pb(Ⅱ)的去除效率均大于99%，而以CaCO3为钙源的钙铁改性杨木生物炭、钙铁改性竹子生物炭对Pb(Ⅱ)的去除效率分别为58%和37%；改性后生物炭对 Pb(Ⅱ)的去除效果从高到低为CaO+FeSO4改性、CaCO3+FeSO4改性、FeSO4改性；钙铁改性生物炭表面多孔且粗糙，有利于铅沉淀物的附着；Pb(Ⅱ)的XANES线性拟合得到钙铁改性生物炭表面的稳定铅组分，如碱式碳酸铅和磷氯铅占比较其他类型生物炭更高，其中钙铁改性杨木生物炭上碱式碳酸铅和磷氯铅占比分别为28%和34%，钙铁改性竹子生物炭上碱式碳酸铅和磷氯铅占比分别为28%和30%。生物炭表面铅沉淀物的形成可能是Pb(Ⅱ)去除的主要途径之一。

关键词: 铅, 生物炭, 铁改性, 钙铁改性, SEM, XANES, 去除率

Abstract: In order to prepare calcium-iron modified biochar, optimize the removal effect of single iron-modified biochar on Pb(Ⅱ), and obtain biochar that can efficiently remove Pb(Ⅱ) from water and is easy to recycle, in this study, poplar and bamboo were used as raw materials to prepare eight kinds of biochar respectively, including poplar biochar (unmodified, FeSO4 modified, CaCO3+FeSO4 modified, CaO+FeSO4 modified) and bamboo biochar (unmodified, FeSO4 modified, CaCO3+FeSO4 modified, CaO+FeSO4 modified). First, the removal efficiency of different biochar on Pb(Ⅱ) in groundwater was evaluated through batch experiments. Then, the fixation mechanism of Pb(Ⅱ) in groundwater was explored by means of scanning electron microscopy (SEM) and X-ray absorption near-edge structure spectroscopy (XANES). The results show that the removal efficiency of Pb(Ⅱ) by calcium-iron (CaCO3+FeSO4, CaO+FeSO4) modified biochars were significantly higher than those by iron (FeSO4) modified biochar. In addition, the removal efficiency of Pb(Ⅱ) by calcium-iron modified biochar with CaO as the calcium source were all greater than 99%. While the removal efficiency of Pb(Ⅱ) by calcium-iron modified poplar biochar and calcium-iron modified bamboo biochar with CaCO3 as the calcium source were 58% and 37% respectively. The removal efficiency of modified biochar on Pb(Ⅱ) from high to low was in the order of CaO+FeSO4 modification, CaCO3+FeSO4 modification, and FeSO4 modification. The surfaces of calcium-iron modified biochar were porous and rough, which was beneficial for the attachment of Pb(Ⅱ) precipitation substances. Through the linear fitting of XANES of Pb(Ⅱ), the stable Pb(Ⅱ) components on the surface of calcium-iron modified biochar, such as basic lead carbonate and lead chlorophosphate, accounted for a higher proportion compared with other types of biochar. Among them, the proportions of basic lead carbonate and lead chlorophosphate on calcium-iron modified poplar biochar were 28% and 34% respectively, and those on calcium-iron modified bamboo biochar were 28% and 30% respectively. The formation of lead precipitates on the surface of biochar may be one of the main pathways for Pb(Ⅱ) removal.

Key words: lead, biochar, iron modification, iron-calcium modification, SEM；XANES, removal efficiency

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