通过机制研究及安全利用策略，利用植酸介导的热水法将含重金属的木质生物质转化为功能性水炭

摘要

通过植物修复得到的生物质在传统的热解碳化过程中可能会因重金属的残留而造成二次污染。本研究利用从受重金属污染土壤中采集的柳树生物质，开发了一种添加植酸的强化热解碳化系统。植酸促进了生物质的分解与碳化，最终得到了37.04%–54.42%比例的碳化物，其高热值在23.73–27.75 MJ/kg之间。重要的是，添加植酸显著促进了重金属从固体相向液体相的迁移，在0.75重量%的植酸浓度下，镉的去除效率可达99.61%，锌的去除效率为92.45%；而在5重量%的植酸浓度下，这两者的去除效率分别提升至99.95%和99.65%。这些碳化物具有出色的重金属吸附能力（镉离子的吸附量为1.57 ± 0.08–6.40 ± 0.47 mg/g；铜离子的吸附量为4.80 ± 0.46–15.30 ± 0.06 mg/g），其中PAHC-40的吸附容量最高，镉离子的吸附量可达22.82 mg/g，铜离子的吸附量则为87.78 mg/g。这些吸附行为符合伪二级动力学模型和朗缪尔等温线模型，其吸附过程涉及表面络合、阳离子交换以及阳离子-π相互作用等多种机制。添加3%的PAHC后，土壤的孔隙度提升了16.8%，阳离子交换容量上升至97.61–102.57 cmol/kg，同时促进了重金属向稳定形态的转化（10周时镉的转化率为0.59%，锌的转化率为0.29%）。与普通热解碳化产物及对照组相比，PAHC处理后的生态风险有所降低（PAHC的生态风险指数为224.81，而普通热解碳化产物的生态风险指数为250.44，对照组的生态风险指数为301.48）。总体而言，这种植酸强化热解碳化系统能够安全地利用有害生物质，为受重金属污染土壤的闭环修复提供有效方案。

图形摘要

此图片的替代文本可能是由人工智能生成的。

通过植物修复得到的生物质在传统的热解碳化过程中可能会因重金属的残留而造成二次污染。本研究利用从受重金属污染土壤中采集的柳树生物质，开发了一种添加植酸的强化热解碳化系统。植酸促进了生物质的分解与碳化，最终得到了37.04%–54.42%比例的碳化物，其高热值在23.73–27.75 MJ/kg之间。重要的是，添加植酸显著促进了重金属从固体相向液体相的迁移，在0.75重量%的植酸浓度下，镉的去除效率可达99.61%，锌的去除效率为92.45%；而在5重量%的植酸浓度下，这两者的去除效率分别提升至99.95%和99.65%。这些碳化物具有出色的重金属吸附能力（镉离子的吸附量为1.57 ± 0.08–6.40 ± 0.47 mg/g；铜离子的吸附量为4.80 ± 0.46–15.30 ± 0.06 mg/g），其中PAHC-40的吸附容量最高，镉离子的吸附量可达22.82 mg/g，铜离子的吸附量则为87.78 mg/g。这些吸附行为符合伪二级动力学模型和朗缪尔等温线模型，其吸附过程涉及表面络合、阳离子交换以及阳离子-π相互作用等多种机制。添加3%的PAHC后，土壤的孔隙度提升了16.8%，阳离子交换容量上升至97.61–102.57 cmol/kg，同时促进了重金属向稳定形态的转化（10周时镉的转化率为0.59%，锌的转化率为0.29%）。与普通热解碳化产物及对照组相比，PAHC处理后的生态风险有所降低（PAHC的生态风险指数为224.81，而普通热解碳化产物的生态风险指数为250.44，对照组的生态风险指数为301.48）。总体而言，这种植酸强化热解碳化系统能够安全地利用有害生物质，为受重金属污染土壤的闭环修复提供有效方案。

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