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英文原题：
NickelHyperaccumulatorBiocharasaNi-AdsorbentandEnhancedBio-ore
作者：RachelA.Smoak*，JeraldL.Schnoor
通讯作者：RachelA.Smoak，美国爱荷华大学土木与环境工程学院
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内容简介
美国爱荷华大学土木与环境工程学院RachelA.Smoak和JeraldL.Schnoor教授研究了镍超富集植物Odontarrhenachalcidica制成的生物炭对溶液中镍的去除效果。
文章亮点
研究背景
近年来，由于电池生产等的需要，对镍的需求在不断增加。为满足工业生产对镍的需求，镍矿开采活动日益频繁，但也对环境造成了污染。一些学者提出了一种可替代原生镍开采的方法—农业采矿。超富集植物能从土壤中吸收金属，并储藏在植物体内。如果在污染土壤或尾矿中种植重金属的超富集植物，待其成熟后收割，既能去除土壤中的重金属，又能获得高含量重金属的植物残体。Odontarrhenachalcidica是镍的超富集植物，具有较为广泛的环境适应性。这种富集有高含量镍的植物被称为“生物矿石”，通过灰化、湿法冶金等可从植物残体中回收镍。
生物炭是生物残体在缺氧环境下不完全燃烧形成的炭化产物。生物炭对重金属（包括镍）有很强的吸附能力。但是，鲜有研究将富集有镍的超富集植物制成生物炭，并用于去除废水中的镍。如果由镍超富集植物制成的生物炭可以从废水中吸附镍，这就可以高效的回收镍，具有良好的社会和环境效益。该文的作者在镍污染土壤中种植超富集植物Odontarrhenachalcidica，待植物生长结束后收集其生物体并在不同的热解温度下制成生物炭，用于镍的吸附研究。
研究方法
研究人员在添加有不同剂量镍（0至mmolNi/kg）的土壤中种植超富集植物Odontarrhenachalcidica。如图1所示，将植物放置在生长灯下培养，待植物生长6个月后，收割植物的地上部分。待植物收获后，重新在镍污染土壤中种植植物，待植物生长6个月后，收割植物的地上部分。利用便携式X射线荧光光谱仪（pXRF）测定植物中镍的含量。同时，为了验证pXRF测定结果的准确性，用电感耦合等离子体-发射光谱技术（ICP-OES）对样品进行分析并与pXRF的结果进行比对。
图1.室内培养的Odontarrhenachalcidica
实验结果：如图2所示，pXRF和ICP-OES测定的值具有高度的相关性，说明pXRF可用于超富集植物中镍含量的测定。如图3所示，Odontarrhenachalcidica叶片镍含量随着土壤镍含量的增加而增加，当土壤中镍的含量为12gNi/kg时，叶片中镍的累积量达到最大，为23g/kg。
图2.植物和生物炭样品中由pXRF测定的镍含量与ICP-OES测定的镍含量之间的拟合曲线；曲线的斜率为0.；阴影区域表示为95%的置信区间
图3.叶片中镍含量与土壤中镍含量之间的关系
研究人员将收获的Odontarrhenachalcidica叶片和整枝样品分别在、、以及℃下热解制成不同的生物炭，并测定了这些生物炭的比表面积和镍含量。如表1所示，植物中镍含量高，以其为原材料制成的生物炭中镍的含量也就越高。此外，热解温度越高，所制备的生物炭中镍的含量越高，最高可达87gNi/kg。表2的结果也验证了上述现象，随着裂解温度的升高，生物炭与植物样品中镍含量的比值和裂解温度之间的相关系数随之增加。此外，随着裂解温度的升高，比表面积也呈增加趋势，最高可达m2/g（图4）。
表1.植物和生物炭样品中镍的含量
表2.平均热解温度浓度因子（生物炭Ni/植物Ni）
图4.生物炭比表面积随植物镍含量的变化特征
为了研究生物炭对溶液中镍的去除能力，研究人员通过模拟试验研究了或℃下热解制成的生物炭对溶液中不同浓度镍的去除能力，并同时利用活性炭（GAC）作为参考。溶液中镍的浓度分别为0,0.1,0.2,0.5,1,2,和3mM，生物炭/活性炭的添加量为0.05g，反应时间为24小时。
结果发现：不同温度下制备的生物炭虽然pH无明显差异，但对镍的去除效果差异较大（表3）。制备生物炭的热解温度越高，其对镍的吸附量就越大，℃下制成的生物炭对镍的吸附量可达40.8mgNi/g。随着溶液中镍的浓度升高，活性炭（GAC）对镍的去除能力降低。当溶液中镍的浓度超过0.2mM时，和其它生物炭处理相比，活性炭对镍的去除能力最低（图5）。℃下制成的两种生物炭对镍的去除能力呈现相似的趋势，当溶液中镍浓度达到0.5mM时，生物炭对镍的去除效率逐渐达到%。但是，当溶液中镍浓度超过0.5mM时，生物炭对镍的去除效率逐渐降低。当溶液中镍的浓度低于6mM，℃下制成的生物炭对溶液中镍的去除率基本达到%。以上可见，当溶液中镍的浓度超过0.5mM时，生物炭对镍的去除效率均高于活性炭，表明由镍超富集植物制成的生物炭对镍具有非常强的去除能力。
表3.生物炭和活性炭的pH及最大吸附镍量
图5.生物炭对不同镍浓度溶液中镍的去除效率
该项目得到了美国科学基金会研究生研究奖学金计划，美国科学基金会，爱荷华大学和爱荷华大学研究生院的支持。研究结果已发表于ACSEnvironmentalAu。
*感谢中国科学院地球化学研究所孙亚飞博士撰写本文中文解读！
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