以农业残留物为原料制备的生物炭被广泛应用于去除重金属, 这对于环境保护具有双重意义。本研究以稻草为原料制备了生物炭, 通过系列静态实验和光谱技术研究其对重金属铕(Eu)的吸附行为及机理。研究发现溶液pH显著影响生物炭对Eu(III)的吸附量, 但不改变吸附反应时间; 腐殖酸/富里酸(HA/FA)在pH<7.0的溶液中能促进生物炭对Eu(III)的吸附, 而在pH>7.0的溶液中则抑制Eu(III)的吸附; 吸附过程主要涉及共沉淀或内表面络合机制; 该吸附属于化学吸附, 且吸附速率受内颗粒扩散过程的限制。此外, Freundlich模型对该吸附拟合最好, Langmuir模型显示稻草生物炭对Eu(III)的最大吸附量为40.717 mg/kg, 这可能与生物炭的层状结构和丰富的官能团有关; 热力学分析表明该吸附是自发的吸热过程。这些发现有利于评估稻草生物炭在去除水中重金属方面潜在的应用价值。

重金属铬的污染会严重威胁到土壤和水体的环境安全, 而水中的六价铬化合物则具有很强的迁移性、富集性和氧化性等特性, 更具有危害性且难以处理。吸附法是一种能简单、高效地处理含重金属污水的处理技术。在磁力搅拌条件下采用花生壳生物炭分别与高岭土和膨润土混合制备而成两种生物炭-黏土材料, 并分别对这两种生物炭-黏土的表面特性进行表征。结果发现所选用的两种黏土均能不规则地负载在生物炭的表面。吸附实验结果显示, 生物炭-高岭土(Biochar@Kaolin)吸附铬(VI)的能力显著高于生物炭-膨润土(Biochar@Bentonite)。从吸附动力学方程的分析可以看出, 合成的两种生物炭负载黏土吸附水中的铬(VI)均符合伪二级动力学方程。从吸附等温线分析中可以得到, Biochar@Bentonite吸附铬(VI)的过程符合Langmuir模型, 而Biochar@Kaolin吸附铬(VI)的过程符合Freundlich模型。研究结果显示, 采用生物炭-黏土的复合材料修复环境中的重金属污染具有广阔的应用前景。

本研究结合静态实验和X射线吸收精细结构谱学(EXAFS)评估了硫化钼纳米片对重金属Cd(II)的吸附行为和微观机制。结果表明: Cd(II)在硫化钼纳米片上的吸附受溶液pH、反应时间和温度的显著影响, 但不受离子强度的影响。在pH 3.3~9.6范围内, pH升高显著促进了硫化钼对Cd(II)的吸附量, 但不改变吸收速率、吸附等温线和热力学。二级动力学模型能更好地拟合该吸附平衡, 且内表面颗粒扩散模型显示了吸附过程中的三个典型阶段。等温线和热力学分析说明Cd(II)在硫化钼上的吸附是异质性的、自发的、吸热的和不可逆的过程。EXAFS光谱学分析揭示了该吸附存在两种类型: 在较低的pH(3.56, 6.48)条件下, 内表面络合以Cd-S配位键为主; 在较高的pH(9.57)条件下, 出现Cd(OH)₂沉淀, 且配位键以Cd-O和Cd-Cd的形式存在。这些研究结果对于评估重金属离子和硫化钼纳米片在分子水平上的作用机理提供了新的视野。

本工作对Cd(II)在多孔六方氮化硼(p-BN)上的吸附行为和机理进行了系统而全面的研究, 考察了溶液pH、吸附剂用量、接触时间和温度等条件对于Cd(II)吸附的影响, 并采用不同手段表征了吸附前后p-BN的化学组成、形态和表面官能团的变化, 进而研究其吸附机理。研究结果显示, 在pH 7.0和313 K条件下, Cd(II)的最大吸附容量可达到184 mg·g ^-1, 其动力学数据与拟二级模型和颗粒内扩散模型吻合, 表明吸附主要受化学吸附控制, 限速步骤主要是分子扩散。Cd(II)在p-BN上的吸附是一个自发和吸热过程, 吸附等温线分别符合Freundlich和Langmuir模型, 说明Cd(II)通过多层和单层吸附而吸附在非均相表面上。XPS的光谱结果显示, p-BN吸附剂具有大量的B-N, B-O等结构用作键合位点, 有利于从废水中吸收Cd(II)。这些结果表明, p-BN有希望作为吸附材料用于清除水体中的Cd(II)。

石墨相氮化碳材料作为一种重要的二维层状材料, 在光催化、能源存储和环境污染治理等领域引起了广泛关注。氮化碳基复合材料以其稳定的物理化学性质、低成本和环境友好等特点成为不同领域的研究热点。在过去几年中, 氮化碳及其氮化碳基复合材料的制备、性质表征和不同领域应用取得了重要进展。本文总结了近几年氮化碳基复合材料的制备及掺杂和功能化研究, 及其在重金属离子废水中的去除应用, 以及不同研究方法对吸附机理的分析。最后还总结了氮化碳基材料在未来研究和应用中面临的主要问题、挑战和机遇。