重金属污染具有长期性、累积性、潜伏性和不可逆性等特点,污染危害大,持续时间长,治理成本高,严重威胁经济社会可持续发展。2011年2月,国务院批复了《重金属污染综合防治“十二五”规划》,我国重金属污染防治工作正式全面启动。因此,探究经济高效的重金属污水处理方法迫在眉睫。人工湿地作为一种投资低、运行稳定、管理方便的生态污水处理技术,已广泛应用于我国流域水污染治理、再生水回用及生态修复等领域。目前,我国湿地面积约5360.26万公顷(不包括江河、池塘等),其中人工湿地约4000万公顷,占世界湿地面积的10%,位居亚洲第一位,世界第四位。但是,在我国北方冬季人工湿地运行过程中,会产生湿地植物枯萎的现象,从而导致人工湿地基质阻塞,出水水质变坏,影响人工湿地的正常运行。研究表明,湿地植物的有效收割可以避免此现象的产生,保障人工湿地的正常运行。这样就会产生大量的人工湿地植物废弃物。探索湿地植物的资源化利用,使其“变废为宝、化害为利”,具有重大的现实意义。因此,本研究拟利用湿地植物作为活性炭原料,采用新型制备方法和改性方法提高活性炭对重金属的吸附性能,实现湿地植物秸秆的高价值回收利用。由于重金属离子的本身所具备的性质特点,其离子半径非常小,分布在0.012nm(Li+)到0.338nm(Cs3+),因此,活性炭孔径结构中的微孔结构对Cd(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)等重金属离子的吸附容量和吸附速率起到重要作用。另外,活性炭的表面官能团能够对吸附质提供吸引力,加速吸附过程,并通过化学作用如静电引力、表面络合和离子交换作用等将重金属离子吸附于活性炭表面。为了进一步强化活性炭对重金属离子的吸附能力,最常用和有效的改性方式是在活性炭表面引入含氧官能团。活性炭表面的含氧官能团可以使表面pHPZC值降低从而提高活性炭的亲水性、吸附选择性、离子交换能力和对重金属离子的亲和力。然而,氮原子的电负性要比氧原子的低,在与重金属离子结合过程中,氮原子更易给重金属离子提供孤对电子。并且,根据Hard-Soft-Acid-Base理论,含氮官能团的吸附材料更易与Ni(Ⅱ),Cu(Ⅱ),Pb(Ⅱ),Cd(Ⅱ),Hg(Ⅱ)等重金属离子相结合,与重金属离子形成离子复合物从而吸附重金属离子。所以,研发一种高含氮微孔活性炭吸附去除水体中重金属不失为很好的解决方案。本研究基于湿地植物自身木质纤维素维管束植物多孔的性质和特点,完善化学活化法中原料前处理工艺,建立新型氨化-活化法提升活性炭比表面积和表面官能团含量,从而提升对重金属镍Ni(Ⅱ)的去除效果;通过研究湿地植物炭化机制以及磷酸活化法制备活性炭的活化机理,研发新型磷酸脲和磷酸铵盐活化法一步制备活性炭工艺,有效提升活性炭微孔比例和含氮官能团含量,从而提升对重金属镉Cd(Ⅱ)和铬Cr(Ⅵ)的吸附能力;通过研究控制活性炭吸附剂对重金属离子吸/脱附的方法,使用电沉积技术合成活性炭-聚吡咯复合材料,通过改变电势控制其对TcO4-(ReO4-)的吸附和释放。取得的主要结论如下:(1)通过建立活性炭新型制备方法-氨化活化法,完善了植物基活性炭化学活化制备工艺。氨化反应使芦苇原料发生氨解,结构变得疏松,提高活化剂的浸渍效率,并且氨化反应增加芦苇原料中N、O元素含量,提高所制备活性炭的官能团含量。氨化工艺参数对活性炭理化性质和吸附性能的影响顺序为:氨化剂>氨化时间>氨化剂量>氨化温度,其最佳参数为:氨化剂为尿素,氨化温度为30℃,氨化比例0.07:1(m氨化剂:m原料),氨化时间为7天。氨化活化法制备活性炭(AAC)的理化性质与传统磷酸活化法(AC-PPA)对比,其比表面积提高20-40%,总孔容提高45-70%,总官能团含量提升,其中活性炭中N元素以及碱性官能团的含量明显提高。AAC对重金属Ni(Ⅱ)的吸附容量比AC-PPA提高约30%。对重金属Ni(Ⅱ)的吸附行为更符合Langmuir等温吸附模型和伪二级动力学吸附模型;并且当溶液pH值在3-8期间时,随着溶液pH值升高,吸附容量增大;同时溶液中离子强度对吸附反应起反作用。通过XPS分析证明,化学吸附过程中含氮官能团与含氧官能团起同样重要的贡献。(2)磷酸脲作为新型活化剂制备活性炭展现出了很好的效果。在活化过程中,磷酸脲释放出有机磷酸酯和含氮自由基,不仅具备磷酸的活化作用,还在活性炭表面形成了含氮官能团。并且由于磷酸脲自己优秀的阻燃性,使得所制备的活性炭产率高达47.7%。磷酸脲活化法制备的活性炭与生物炭相比,其比表面和官能团含量大幅提升。在最优制备条件下制备的活性炭比表面积为846.4 m2/g,微孔所占比例达到68%,总官能团含量为3.521 mmol/g,其中碱性官能团含量达到1.477mmol/g。磷酸脲活性炭对重金属Cd()的吸附容量是生物炭的5倍,达到40.65 mg/g。对重金属Cd(Ⅱ)的吸附行为符合Langmuir等温吸附模型和伪二级动力学吸附模型;并且溶液pH为中性时,对重金属Cd(Ⅱ)吸附容量最大,同时溶液中离子强度对吸附反应起反作用。通过XPS分析证明,在化学吸附过程中,含氮官能团起主要的贡献。(3)由于在热解过程中,磷酸铵盐中的铵根离子比磷酸脲中的尿素成分更加活跃,由此证明,在磷酸铵盐作为活化剂制备活性炭的过程中,更易在活性炭表面形成含氮官能团,因此证明了磷酸铵盐活化法制备活性炭的可行性。根据活性炭理化性质和产率的综合评价,选择磷酸氢二铵进行进一步的优化研究。磷酸氢二铵作为活化剂制备活性炭的最优浸渍比为1.5:1,活化温度为700℃,所制备的活性炭的表面积达到1094.27 m2/g,微孔率高90%,总官能团含量为3.84 mmol/g,其中碱性官能团含量为1.83 mmol/g,磷酸氢二铵活性炭对重金属Cr(Ⅵ)的吸附容量为44mg/g。其吸附行为符合Langmuir等温吸附模型和伪二级动力学吸附模型;溶液pH的升高对重金属Cr(Ⅵ)吸附起负作用。通过XPS分析证明,在活性炭对Cr(Ⅵ)的化学吸附中,一部分Cr(Ⅵ)的阴离子通过静电吸附作用吸附在活性炭表面,一部分Cr(Ⅵ)还原成Cr(Ⅲ)后通过活性炭表面官能团提供的电子供体所吸附,其中含氮官能团起着主要作用。(4)通过电沉积的方法使用导电聚合物聚吡咯改性活性炭,制备出活性炭-聚吡咯智能复合材料,比表面积达到2559.64m2/g,其三维多孔结构为重金属的吸附去除提供了大量的吸附位点。将其应用在电化学可控离子交换技术中对TcO4-(ReO4-)的吸附解吸,在电化学电势的作用下,ReO4-的吸附解吸过程在60秒内完成,大幅提高了吸附法的效率;通过XPS和E-QCMD技术解释智能复合材料对Tc04-(Re04-)的吸附解吸行为,AC-PPy展现出了很好的回收率,在第三次循环,回收率达到100%,吸附解吸达到平衡。比较特定电压和循环伏安法的质量变化,使用循环伏安法比使用特定电压时的吸附和解吸的能力都强。此方法拓展了活性炭改性和应用的新思路,使用电化学辅助手段提升吸附反应的效率。