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北極星環境修復網訊:鐵改性生物炭是一種負載有鐵礦物的生物炭複合材料，在重金屬汙染修復和有機汙染物降解中有廣泛研究。鐵改性生物炭上鐵的形態和分布影響著生物炭的物理化學性質，進而控制著鐵改性生物炭在環境汙染修復中的效果。前人在鐵改性生物炭中鐵形態及分布表徵方面還有待提升和完善。因此，本研究運用同步輻射技術對鐵進行表徵，並探究生物炭在重金屬汙染修復中的應用。
運用鐵試劑（FeCl3或FeSO4）浸泡楊木木塊，濾出烘乾後分別在不同溫度下（300、600、900℃）高溫熱裂解製備出不同的生物炭。X射線近邊吸收光譜技術（XANES）和拓展邊X射線精細結構（EXAFS）分析擬合出不同類型的生物炭中鐵以不同的形態存在（圖1）。高溫時有零價鐵存在；氯化鐵改性生物炭中溫度越高氯化鐵佔比越小；硫酸亞鐵改性生物炭中，溫度越高Fe與S的結合方式發生變化。SEM-EDX和共聚焦微區X射線螢光成像技術表明，Fe在生物炭中的分布受到溫度變化影響，溫度越高，鐵越向生物炭表面匯聚。
圖1 FeCl3或FeSO4改性生物炭中Fe形態及分布隨著熱裂解溫度升高的變化情況
選取FeCl3BC900和BC900分別用於As(III)、As(V)、Cr(VI)、Hg(II)汙染修復（圖2），鐵改性顯著提升了生物炭對這些重金屬的修復效率，且將各種汙染物以更加穩定、低毒性的形態固定下來，是一種潛力的生物炭改性方式。
圖2 BC900和FeCl3BC900對As(III)、As(V)、Cr(VI)、Hg(II)汙染修復效率對比；FeCl3BC900固定的As、Cr XANES圖譜及Hg EXAFS圖譜R邊擬合圖
將上述六種鐵改性生物炭及300、600、900℃條件下高溫熱裂解製備的不改性生物炭用於模擬地下水中Hg(II)的汙染修復。溫度越高，去除效率越高；600、900℃製備的鐵改性生物炭對Hg(II)去除率較不改性顯著提升；300℃製備的鐵改性生物炭對Hg(II)去除率較不改性降低或者基本不變（圖3）。表明鐵改性生物炭用於Hg(II)汙染修復不一定在所有溫度下都適用，600、900℃效果較好。
Hg EXAFS擬合表明，Hg與BC900、FeCl3BC900、FeSO4BC600、FeSO4BC900以Hg-S形式固定；Hg在BC300、BC600上以Hg-O形式存在；Hg與FeCl3BC300、FeCl3BC600、FeSO4BC300以Hg-Cl配位結合。綜合S2p XPS數據、水化學模擬結果等，分析得出，當生物炭上分布較多硫化物、巰基時，Hg與S結合；其他情況下，Hg在生物炭上的固定形式受到液相中Hg的存在形態影響。和共聚焦微區X射線螢光成像技術圖像分析得到生物炭上Hg的分布在Hg-S形成時受到S分布的影響；其他情況下Hg的分布主要受到生物炭孔隙性質的影響。
圖3 不改性、FeCl3改性、FeSO4改性生物炭對Hg(II)去除效果及反應前後溶液中總Hg濃度變化情況；不同類型生物炭對Hg(II)汙染修復的機理
本研究表徵了不同熱解溫度、不同改性試劑條件下製備的鐵改性生物炭中鐵的形態及分布情況，為鐵改性生物炭的應用提供基礎；探究了鐵改性在生物炭應用中的廣闊前景，可以將多種重金屬汙染物以毒性低、遷移性弱的形式固定；將不改性和鐵改性的生物炭用於Hg(II)汙染模擬地下水修復，表面600或900℃製備的鐵改性生物炭顯著提升了Hg(II)的汙染修復效率；不同生物炭對Hg(II)的去除機理差異，主要受到生物炭上是否含有金屬硫化物、巰基等組分，液相中Hg的主要存在形態等因素影響；Hg在生物炭上的分布情況主要受到金屬硫化物、巰基的分布情況，生物炭的孔隙性質影響；篩選出三種對Hg(II)去除率＞99%的生物炭，為後續實驗及場地應用提供理論基礎。
本研究來自中國地質大學（武漢）環境學院劉鵬老師課題組，近期分別以「Distribution and speciation of iron in Fe-modified bios and its application in removal of As(V), As(III), Cr(VI), and Hg(II): An X-ray absorption study」在線發表於Journal of Hazardous Materials，以「Mechanistic Investigation of Mercury Removal by Unmodified and Fe-modified Bios Based on Synotron-based Methods」在線發表於Science of the Total Environment. 論文第一作者為博士生馮宇，通訊作者為劉鵬教授。該研究工作受到水汙染控制與治理重大科技專項（2018ZX07110），自然科學基金(41521001、41877478)等項目資助。
原標題:鐵改性生物炭上鐵的形態分布表徵及生物炭對Hg(II)去除機理探究—基於同步輻射技術
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