离子交换

生物质炭中碱性物质的主要成分是碳酸盐和有机阴离子。酸性土壤中的活性酸 H+、Al3+和 CO2 等易与这些碱性物质反应生成碳酸氢盐，而后与酸进一步反应生成 CO2，在反应中产生的 Na+、K+、Ca2+、Mg2+等盐基阳离子与土壤中的 H+和交换性 Al3+发生交换，降低其含量，从而提高土壤 pH。另外，生物质炭具较高阳离子交换量，Na+、K+、Ca2+、Mg2+等碱基阳离子为土壤中带正电荷的重金属离子和铵离子提供交换位点，土壤对金属阳离子的交换作用和生物质炭的阳离子交换量正相关。

配位络合

生物质炭的羧基、羟基等负电荷有机官能团会与重金属离子发生配位络合反应，生成金属络合物。通过分析松木生物质炭吸附土壤中砷污染物后官能团吸收峰的变化，发现对 As(Ⅴ)吸附起主要作用的是生物质炭表面的羟基和改性生物质炭负载的铁氧化物介导的配位反应。研究发现，荷花生物质炭表面的酸性官能团与镉离子生成络合物，进而去除水中的镉。研究发现，稻秆生物质炭对 Ni(Ⅱ)吸附作用机制主要是表面离子交换和内部络合作用。

共沉淀

生物质炭的矿物组分会与土壤中的重金属发生共沉淀作用。如磷在一定条件下会与生物质炭中的Mg2+、Ca2+、Zn2+和 Pb2+发生共沉淀，生成难溶的化合物，如 CaHPO4·2H2O、Zn3(PO4)2·4H2O、Pb5(PO4)(OH)3 等。生物质炭对 Pb2+的吸附过程中，其矿物盐成分在酸性环境中会溶解，并释放出 Cl-、OH-、CO32-、PO43-和 SO42-等阴离子，与土壤中的 Pb2+发生共沉淀。此外，Cd2+、Zn2+、Pb2+、Hg2+等重金属离子也易与生物质炭发生共沉淀，从土壤的液相中转移至生物质炭固相中。