生物炭(BC)是一种具有广阔应用前景的经济型吸附剂,广泛应用于修复重金属污染问题。然而,单一使用生物炭材料用于修复重金属污染存在诸如密度低、难以成型、颗粒难以从水中分离等问题,严重限制其应用发展。为了提高生物炭吸附重金属的能力和环境修复的潜力,可以通过改变生物炭的孔结构和表面特性来进行改性处理。本文以椰子壳、花生壳作为原料制备了 300℃和600℃生物炭,并采用化学浸渍的方法制备了镁(MgCl2)改性生物炭。通过对生物炭和MgCl2改性生物炭进行X射线衍射(XRD)、傅里叶光谱变换(FTIR)等表征分析和生物炭对镉(Cd2+)的吸附实验等方法,比较生物炭改性前后及不同热解温度下的生物炭对Cd2+的吸附性能,探讨其修复机理。本篇文章还以山东省日照市农田棕壤作为污染研究对象,将原生生物炭与镁改性生物炭进行对比研究,探讨其作为土壤修复剂对棕壤Cd2+污染固定修复效果以及对菠菜生物有效性效果的异同之处。通过土培实验和盆栽实验,比较了不同生物炭材料对棕壤pH值,棕壤有效态Cd2+,棕壤总Cd2+含量,菠菜生物量和菠菜中Cd2+含量的影响。得出结果如下:(1)与原生生物炭相比,MgCl2改性明显提高了改性生物炭吸附剂的比表面积和总孔容,增强了生物炭的pH值、灰分、极性和亲水性。通过采用扫描电镜-能谱分析(SEM-EDS)、XRD等分析方法证明,氧化镁(MgO)成功负载到生物炭上,MgCl2与生物炭预浸渍混合物热解得到的生物炭吸附剂是由MgO晶体与原生生物炭构成的复合物材料。FTIR表明,镁改性生物炭和未改性生物炭的特征峰相似,表明MgO晶体对官能团的类型影响不大。(2)伪二级动力学和Langmuir等温吸附方程可以准确阐述椰子壳、花生壳生物炭及其镁改性生物炭对Cd2+的吸附过程。通过在298-318K环境下进行热力学实验得出结论,生物炭和镁改性生物炭对Cd2+的吸附过程是吸热过程,温度越高,越有利于吸附剂对Cd2+吸附性能的提升。在初始pH范围内,镁改性生物炭对Cd2+的吸附能力强,吸附速率随初始pH值的增加而增加,并且随着pH值的增加,相同吸附材料对Cd2+的吸附逐渐达到平衡。改性材料表面的MgO颗粒对Cd2+的吸附起到重要作用,吸附过程以化学吸附为主。(3)不同处理的花生壳生物炭及其镁改性生物炭施加能够有效提高土壤的pH值,降低土壤中有效态Cd2+活性,并且随着施加量的增加,其钝化作用越显著。镁改性花生壳生物炭对棕壤中Cd2+的钝化效果较花生壳生物炭的效果更明显,可能是由于镁改性后生物炭的比表面积和总孔体积变大,进入土壤后能够有效吸附、固持Cd2+,而且MgO载于生物炭中能够与土壤中Cd2+可形成络合物,使钝化效果更加明显;(4)盆栽条件下,添加生物炭促进菠菜生长状态相应变好;MgO改性生物炭作为重要养分,对菠菜的生长发育也起着重要作用;在添加重金属Cd2+的情况下,施加生物炭可以降低菠菜中Cd2+的吸收,施加量多且经过镁改性的生物炭能够更加有效抑制菠菜中Cd2+的含量。综上所述,镁改性生物炭对重金属Cd2+具有更好的钝化和修复作用,可作为棕壤中Cd2+超标的钝化和修复技术材料,用于野外推广应用。