水环境中的重金属（Pb2+和Cd2+）污染是一个全球环境问题。由于Pb2+和Cd2+具有剧毒和难以在生物体内降解,进而对人类健康及生态环境造成严重危害。在众多水环境中重金属的处理技术中,虽然具有大比表面积的活性炭被广泛用于水净化,然而煤基活性炭的制备中涉及到大量化石能源的消耗,以及昂贵的成本阻碍了其进一步发展。因此,可持续再生、原料来源丰富、成本低廉的生物炭可视为替代活性炭的有前景的吸附剂。生物炭的物理和化学特性主要取决于合成工艺条件和用于制备的原料种类。目前研究的主要不足有:1)生物炭对重金属吸附机制的相对分布不清晰;2)生物炭的离子交换能力对重金属吸附的影响研究不足;3)操作简便的分级多孔生物炭的孔隙结构的调控方法研究不足;4)生物炭的孔隙结构对重金属吸附的影响以及重金属在多孔生物炭上的扩散传质机理认识不足。基于此,本研究主要解决了 2个技术问题:1)准确计算生物炭对Pb2+和Cd2+不同吸附机制的相对贡献;2)提出一种简便方法实现生物炭孔隙结构的构筑。除此之外,还对两个科学问题进行了探究:1)探明MgO活性位点负载生物炭对Pb2+和Cd2+吸附的影响;2)探究不同孔径对Pb2+和Cd2+吸附的影响及重金属在分级多孔生物炭上的扩散传质机制。首先,调查了不同温度下热解的生物炭对水溶液中Pb2+和Cd2+的吸附机理,结果表明Pb2+和Cd2+在生物炭上的吸附主要受离子交换、氧官能团（OFGs）络合、Pb2+/Cd2+-π电子相互作用以及矿物沉淀作用机制控制。与原始生物炭相比,用HCl处理后的生物炭中的羧基和酚羟基均增加。然而,先前的研究忽略了增加的OFGs的影响。因此,本文提出了一种改进方法,以更准确地计算四种不同机制的贡献。随着热解温度从300℃升高到700℃,矿物沉淀是Pb2+和Cd2+去除的主要机制,分别占总吸附量的80.61-89.03%和53.57-75.84%。至于氧官能团络合对Pb2+和Cd2+去除率分别占4.76-8.55%和11.34-29.59%。原始生物炭对水中Pb2+和Cd2+的吸附容量较低,这可能归因于较低的离子交换能力。因此,本文采用MgCl2对生物质进行改性以促进生物炭的离子交换和沉淀能力来提高对重金属的吸附能力。改性后,镁负载生物炭（MgBC400）对Pb2+和Cd2+的总吸附量比原始生物炭（BC400）分别提高了 32倍和33倍。MgBC400对Pb2+和Cd2+的去除归因于离子交换（Qion）、矿物沉淀（Qp）、氧官能团络合（Qf）和重金属-π电子配位（Qπ）。MgBC400在吸附Pb2+和Cd2+方面的Qe值几乎是BC400的49倍和59倍。对于QP,负载MgO的生物炭对Pb2+和Cd2+的去除提升了 214.4和81.7 mg/g。总的来说,离子交换和矿物沉淀是MgBC400对Pb2+和Cd2+的主要吸附机制。生物炭应用于水处理时,达到平衡所需时间长达24 h,归因于不发达的孔隙结构。本文提出一种简便合成分级多孔生物炭（HPBCs）方法,主要是通过锌盐与生物质共热解,无需后续活化和模板脱除。结果表明,锌盐不仅促进了生物质的热解,而且原位分解产生挥发性气体和可热脱除的孔模板,从而建立了分级多孔结构。与原始生物炭相比,HPBCs的孔体积增加了约80倍,比表面积高达1192.37 m2/g。得益于多孔生物炭发达的孔隙结构,使得吸附速率明显得以强化。例如,对于Pb2+,和BC相比,HPBCs达到吸附平衡所需的时间缩短了 87.5%（40 minvs 5 min）。在浓度远高于重金属的不同背景离子溶液中,HPBCs表现出优异的抗干扰能力。并且在应用于实际燃煤电厂脱硫废水时,HPBCs对Pb2+和Cd2+的去除率高达100%,远高于商业活性炭（28%）,表明HPBCs可作为一种潜在吸附剂用于实际废水中重金属的脱除。更进一步,采用分子动力学（MD）揭示重金属在不同孔径中的微观吸附机制,结果表明Pb2+倾向于存在于微孔中,而介孔的存在有利于Cd2+的吸附,因此构建分级多孔生物炭对废水中重金属的联合脱除十分必要。此外,还采用孔体积和表面扩散模型（PVSDM）对吸附过程进行数值模拟,研究重金属在HPBCs上的扩散传质机理。结果表明,HPBCs的孔体积扩散系数比表面扩散系数至少大三个数量级,且远大于原始生物炭的这两个参数。总的来说,通过与锌盐共热解显著改善了生物炭孔结构,促进了重金属在HPBCs颗粒内的扩散输运,进而增加吸附速率,缩短了吸附所需时间。本文提出一种改进的方法来更准确地探究生物炭上Pb2+/Cd2+吸附机制的相对贡献,为后续改性生物炭材料的制备提供一定的理论指导。此外,本文提出强化生物炭的离子交换和沉淀能力从而为实现水中重金属的高效脱除提供思路。此外,为生物炭孔隙结构的调控提供了一种简便方法,揭示了重金属在其中的扩散传质机制,为实现生物炭对水中重金属的快速脱除提供技术和理论支撑。