活性炭对固相基质中重金属稳定作用及机理研究

The stability of heavy metal ions adsorbed on activated carbon is crucial for the stabilization of heavy metals in solid phase with activated carbon as additive. Chemosorption, indeed, is more stable and irreversible in some cases. Therefore, the enhancement of adsorption via the chemical interaction between the surface functional groups of activated carbon and heavy metal ions may achieve the stabilization of heavy metals considering that the surface chemistry of activated carbon is mainly responsible for the chemosorption of activated carbon. In this project, we propose to synthesize the activated carbons embedded with different surface functional groups such as O, S, N active sites which are able to bind heavy metal ions tightly for more effective stabilization of chromium slag and lead contaminated soils. To explore the mechanism of the stabilization of heavy metals with activated carbon, the effect of surface chemistry of activated carbon on the adsorption of chromium and lead ions will be investigated by the characterization of the surface functionalities of activated carbons, speciation of heavy metals, leaching of heavy metals in solids, and the adsorption and desorption of heavy metal ions on activated carbons. The ultimate goal of this research is to lay a scientific foundation and to provide a technical support for the development of the stabilization of heavy metals in solid phase with activated carbon.

活性炭在吸附重金属之后保持稳定不至于使重金属脱附，是活性炭作为添加剂起到对固相基质中重金属稳定作用的关键。化学吸附比较稳定，不易脱附，且存在不可逆性的情况，而活性炭的表面化学性质是影响活性炭化学吸附的主要因素，因此可以利用活性炭的表面官能团、杂原子等与重金属之间的化学作用来强化吸附效果，达到活性炭对重金属的稳定作用。本研究拟以铬、铅为目标重金属污染物，通过合成具有合适孔径分布的赋氧、硫、氮等不同表面官能团活性炭，利用其具有的对重金属结合力强的化学吸附活性位对工业含铬废渣及铅污染土壤两种含重金属物系进行稳定化处理。基于活性炭的表面官能团等化学性质表征、重金属形态分析及固相基质中重金属浸出分析，结合活性炭对铬、铅吸附及脱附性能，研究活性炭表面官能团等化学性质对铬、铅的吸附效果，探讨活性炭稳定重金属的机理，以期为活性炭用于稳定重金属污染固体物系（固体废物、土壤等体系）提供技术支持和理论依据。

高效经济的添加剂是实现重金属稳定/固定的关键因素。活性炭是对重金属较为有效的吸附剂，目前关于活性炭吸附的研究工作多针对液相和气相体系，本项目基于活性炭的表面官能团与重金属之间的化学作用增强吸附效果，以活性炭为添加剂对工业含铬废渣及铅/铬污染土壤两类重金属污染固态物系进行稳定化处理，以吸附过程热力学和动力学、界面传质反应动力学等理论为基础，运用活性炭的表面官能团等化学性质表征、重金属形态分析、XPS表面敏感技术和生物有效性表征等方法，探讨活性炭对固相基质重金属的稳定作用机理，为活性炭用于稳定重金属污染固体物系提供技术支持和理论依据。.首先采用硝酸氧化、氨气高温处理、赋硫等表面功能化方法制备含O、N、S官能团活性炭（分别表示为OAC、NAC、SAC），改善活性炭表面对重金属离子的亲和力。.在模拟淹水浸泡和自然降雨条件下研究了活性炭对铬渣中的铬和铅污染土壤中铅的浸出影响，发现浸提剂种类和浸提剂pH值对浸出过程影响较大，这与重金属在液相中的水合离子价态和固相中存在形态等多相界面行为相关；铬渣和土壤中添加活性炭能降低铬和铅的浸出浓度。利用BCR连续浸提法考察了活性炭对某铬盐厂区不同水平及垂直分布污染土壤中铬赋存形态的影响，当土壤中分别添加5%（wt%）OAC、NAC、SAC后可交换态总铬及六价铬含量均有明显下降，活性炭对总铬及六价铬离子的稳定能力依次为SAC>OAC>NAC，其中经SAC稳定后土壤中可交换态六价铬含量由27-2082mg/kg下降至0-1403mg/kg。通过盆栽实验进一步研究重金属的生物有效性，结果表明土壤中添加OAC能降低Cr、Pb的迁移的能力，有效减轻了重金属植物毒性。.应用Langmuir、Freundlich、DR和Temkin 吸附等温模型以及拟二级动力学方程描述了Cr(III)、Cr(VI)和Pb(II)三种重金属离子在活性炭试样上的吸附平衡和动力学过程，运用连续浸提法分析活性炭上吸附态重金属离子形态，结合XPS技术分析重金属离子吸附前、后活性炭表面官能团结构及重金属元素形态变化，揭示了功能化活性炭对固相重金属的稳定作用是基于表面官能团与重金属离子之间的配合、孤对电子/π电子与阳离子等化学吸附作用将重金属固定于活性炭上，主要以残渣态存在，降低了重金属可迁移性。.