土壤重金屬污染修復(fù)中生物炭的應(yīng)用范文

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摘要：土壤重金屬污染已嚴(yán)重威脅人類(lèi)的健康及生態(tài)環(huán)境安全，鈍化修復(fù)以其高效、快速、廉價(jià)的特點(diǎn)受到了廣泛的關(guān)注。生物炭（biochar）也稱(chēng)生物質(zhì)炭，是指生物質(zhì)在缺氧或無(wú)氧條件下熱裂解得到的一類(lèi)含炭的、穩(wěn)定的、高度芳香化并含有大量酚羥基、羧基和羰基的固態(tài)物質(zhì)，生物炭具備良好的吸附特性及穩(wěn)定性，在鈍化修復(fù)重金屬污染方面具有較大的應(yīng)用潛力。文章介紹了生物炭的理化性質(zhì)以及近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭修復(fù)重金屬污染土壤的研究進(jìn)展，最后對(duì)生物炭在治理土壤重金屬污染方面提出了展望。

關(guān)鍵詞：生物炭；重金屬；修復(fù)

1概述

近年來(lái)，由于人口的不斷增長(zhǎng)、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了我國(guó)土壤重金屬污染加劇。目前，我國(guó)受鎘、砷、鉻、鉛等重金屬污染耕地面積近2000萬(wàn)公頃，約占總耕地面積的1/5[1]。農(nóng)業(yè)部數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食1000多萬(wàn)噸，被重金屬污染的糧食每年多達(dá)1200萬(wàn)噸[2]。重金屬污染具有隱蔽性、長(zhǎng)期性、不可逆性和治理難且周期長(zhǎng)等特點(diǎn)[3]。一方面，重金屬污染會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)，另一方面重金屬污染物可以在土壤中長(zhǎng)期累積，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)和地下水造成嚴(yán)重危害，而且可以通過(guò)植物體進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康。目前，治理土壤重金屬污染的方法有物理、化學(xué)、生物修復(fù)等方法。添加土壤重金屬鈍化劑的原位修復(fù)方法因其可操作性強(qiáng)、實(shí)施成本低、可大面積推廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注。生物炭是由生物質(zhì)在完全或部分缺氧的情況下經(jīng)熱解炭化產(chǎn)生的一類(lèi)高度芳香化固態(tài)物質(zhì)，具有較大的比表面積和發(fā)達(dá)的孔隙率，表面含有大量的官能團(tuán)和負(fù)電荷，對(duì)重金屬離子有較強(qiáng)的吸附固定能力，并且能夠改善土壤理化性質(zhì)。是一種新型、綠色、經(jīng)濟(jì)、資源化的重金屬鈍化修復(fù)材料。本文綜述了生物炭的制備方法和基本特性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)生物炭的研究進(jìn)展對(duì)土壤中重金屬鈍化修復(fù)等方面進(jìn)行了總結(jié)，為今后對(duì)生物炭修復(fù)重金屬污染土壤的研究提供參考意義。最后提出生物炭吸附土壤中重金屬的未來(lái)研究方向和生物炭在重金屬污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用及前景。

2生物炭的基本性質(zhì)

制備生物炭的原料多種多樣，包括農(nóng)林廢棄物、城市污水處理廠污泥、動(dòng)物排泄物等。按照反應(yīng)溫度、停留時(shí)間和加熱速率的不同可分為三種制備方法。表1列出了三種常見(jiàn)的制備方法。生物炭的性質(zhì)與制備溫度、時(shí)間、原材料等密切相關(guān)。

2.1元素組成

生物炭主要由C、H、O、N四種元素組成，C元素含量最高。這些元素是構(gòu)成生物炭芳香型結(jié)構(gòu)和烷基的主要成分。原料不同及熱解溫度都會(huì)對(duì)生物炭的元素組成和含量造成較大影響。對(duì)不同燒制溫度下玉米秸稈生物炭的性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，隨燒制溫度升高，碳元素含量也不斷升高，氧元素和氫元素含量下降。陳樂(lè)等發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高谷殼炭、秸稈炭、藥渣炭N含量均逐漸降低，相反生物炭的P含量隨著熱解溫度的升高均逐漸增加。

2.2生物炭的表面官能團(tuán)

高濃度含氧官能團(tuán)的存在被認(rèn)為是生物炭對(duì)重金屬吸附能力一個(gè)重要指標(biāo)。饒瀟瀟等制備的花生殼生物炭含有豐富的表面官能團(tuán)，熱解溫度升高使羥基數(shù)量大幅減少，烴基逐漸消失，芳香化程度增強(qiáng)。高凱芳等研究裂解溫度對(duì)生物炭表面官能團(tuán)的影響，發(fā)現(xiàn)烷烴基隨裂解溫度升高而缺失，甲基（-CH3）和亞甲基（-CH2）逐漸消失，而芳香族化合物增加，芳香化程度增強(qiáng)。這些性質(zhì)有利于提高生物炭對(duì)土壤中重金屬的修復(fù)固定。

3生物炭修復(fù)土壤重金屬污染的效果

3.1生物炭對(duì)土壤重金屬有效態(tài)含量的影響

在評(píng)價(jià)重金屬污染土壤的環(huán)境質(zhì)量時(shí)，我們常采用不同的提取劑對(duì)土壤中重金屬的有效態(tài)進(jìn)行提取，以反映土壤重金屬的毒性和生物有效性。利用秸稈生物炭修復(fù)土壤中的Pb、Cd、Zn，將秸稈生物炭（5%）作為鈍化材料添加到重金屬污染的土壤中，研究表明，秸稈生物炭處理的土壤TCLP提取態(tài)Pb、Cd、Zn分別降低了10.44%、19.79%、5.02%，有效降低了土壤重金屬的毒性。孫慧等施用水稻秸稈生物炭能使土壤TCLP有效態(tài)Cd含量降低42.07%~45.12%，與海泡石混合施用后降低幅度最高達(dá)到56.58%。

3.2生物炭對(duì)土壤重金屬形態(tài)的影響

歐盟BCR連續(xù)提取法將土壤中重金屬形態(tài)分為弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)。弱酸提取態(tài)容易被植物吸收，對(duì)作物危害較大；可還原態(tài)在氧化還原條件下穩(wěn)定性差，對(duì)農(nóng)作物存在潛在危害；可氧化態(tài)一般不易被植物吸收利用，當(dāng)土壤氧化還原電位發(fā)生變化時(shí)，可使少部分重金屬溶出；殘?jiān)鼞B(tài)重金屬很穩(wěn)定，對(duì)土壤重金屬遷移和生物可利用性不大。利用水稻秸稈在500℃條件下制備生物炭，將其施入Pb、Cd重金屬?gòu)?fù)合污染的土壤中培養(yǎng)30天。結(jié)果表明，當(dāng)生物炭添加量為5%時(shí)，弱酸提取態(tài)、可還原態(tài)和可氧化態(tài)Pb含量明顯降低，殘?jiān)鼞B(tài)Pb含量顯著增加。王哲等用玉米秸稈生物炭施入重金屬污染的礦區(qū)土壤中，研究發(fā)現(xiàn)，添加生物炭后可顯著降低土壤中酸可提取態(tài)Pb、Cu、Zn、Mn的含量，顯著增加殘?jiān)螒B(tài)。

4展望

我國(guó)擁有豐富的廢棄生物質(zhì)資源，較常見(jiàn)的有稻殼、秸稈、甘蔗渣、畜禽糞便、木材加工剩余物、生活垃圾等，大量的生物質(zhì)資源沒(méi)有得到有效的利用。生物炭的添加在一定程度上可以降低土壤中重金屬的移動(dòng)性和生物有效性，但單一的生物炭對(duì)某些重金屬污染物的吸附能力有限，不能對(duì)復(fù)合污染重金屬污染達(dá)到預(yù)期的修復(fù)效果，在環(huán)境應(yīng)用中受到了一定的局限性。日后需要進(jìn)一步研究復(fù)合生物炭材料或改性生物炭對(duì)多種不同類(lèi)型重金屬的吸附鈍化效果。生物炭對(duì)土壤重金屬污染的修復(fù)屬于原位鈍化修復(fù)技術(shù)，沒(méi)有將重金屬?gòu)耐寥乐蟹蛛x開(kāi)來(lái)，長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，可能有重金屬重新釋放的危險(xiǎn)。目前，關(guān)于磁化改性生物炭已經(jīng)在水體中金屬污染中展開(kāi)了應(yīng)用研究，達(dá)到了固液分離的目的。所以未來(lái)我們可以將磁性生物炭用于土壤重金屬污染的修復(fù)治理工作中去，修復(fù)完成之后，利用磁鐵將吸附重金屬的生物炭從土壤中剝離。

參考文獻(xiàn)：

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作者：王俊楠 單位：河南大學(xué)