生物质炭材料在土壤重金属污染中的应用

发表时间:2019/2/11   来源:《知识-力量》2019年4月上   作者:王燕
[导读] 生物质炭是一种新型吸附材料,该物质具有巨大的表面积和较强的阳离子交换能力,对受污染土壤中的重金属具有很强的吸附固持能力,能有效地降低这些污染物的生物有效性和在环境中的迁移,对改善土壤环境具有重大意义。

(四川大学,四川 成都 610000)
摘要:生物质炭是一种新型吸附材料,该物质具有巨大的表面积和较强的阳离子交换能力,对受污染土壤中的重金属具有很强的吸附固持能力,能有效地降低这些污染物的生物有效性和在环境中的迁移,对改善土壤环境具有重大意义。本文简述了生物质炭在修复重金属土壤污染中的基本作用机理,最后展望了今后需要进一步研究的领域。
关键词:生物质炭;重金属污染;土壤修复;作用机制

 
            1.前言
            生物质炭是一类含碳量较高的芳香化物质,是将富含炭的植物在部分缺氧或者完全缺氧的条件下裂解产生。其制备的原材料来源广泛,制备简单,并且具有极强的吸附性,是作为环境污染吸附处理优良的吸附材料,近年来,成为众多学科研究的前沿热点。生物质炭的孔隙结构比较发达,并且比表面积较高、表面官能团丰富[1]。生物质炭可以和众多官能团发生络合、鳌合沉淀作用,比如羧基、酚羟基、羰基等,由于生物质炭的这一性质决定了它能够广泛用于重金属的吸附。
            近几十年来,由于我国农业、工业的飞速发展,致使土壤环境受到了严重的污染,其中,重金属污染造成的影响最为严重。土壤中的重金属具有潜在的生态风险和健康风险,具有持续时间长、无法被微生物降解等特点,土壤中积累的重金属会被植物根部吸收,迁移转化到根茎叶及果实中去,影响植物的生长发育,然后通过食物链的形式,最终进入人体内。因此,修复重金属污染土壤,已成为亟待解决的重大环境问题。
            2.生物质炭对重金属的吸附固持作用机理
            主要包括离子交换、物理吸附、络合沉淀、固持作用等。关于离子交换,生物质炭表面带有大量负电荷和较高的电荷密度,并且富含含氧、含氮、含硫官能团,具有较大的阳离子交换量,可以增加土壤对重金属的静电吸附,理论上能够吸附大量可交换态阳离子。关于络合沉淀,生物质炭表面含有丰富的含氧官能团,可以通过与重金属形成表面络合物增加土壤对重金属的专性吸附量[2]。
            生物质炭对重金属的固持机理主要有 3 种情形:其一,添加生物质炭后,土壤的pH值升高,土壤中重金属离子形成金属氢氧化物、碳酸盐或磷酸盐而沉淀或者增加了土壤表面活性位点; 其二,金属离子与碳表面电荷产生静电作用;其三,金属离子与生物质炭表面官能团形成特定的金属配合物,这种反应对于特定配位体有很强亲和力的重金属离子在土壤中的固持非常重要。
            3.生物质炭对不同类型重金属污染的影响
            各种研究均表明,生物质炭在重金属污染土壤的修复过程中,针对不同类型的重金属污染,生物质炭的修复效果也有所不同,其中对土壤中 Cd 污染的修复效果最为显著。另外,生物质炭施入土壤之后在吸附重金属污染的同时,对土壤中植物生长所需的微量元素也有吸附作用,故可利用生物质炭的这一特点来调节土壤中微量元素的含量,从而使微量元素在土壤中的含量更加有利于植物生长需要。



            4.不同生物质炭对土壤重金属的吸附
            4.1不同来源生物质炭对土壤重金属的吸附
            生物质炭为生物质热解炭化后形成的炭,常见的生物质炭包括木炭、竹炭、秸秆炭、稻壳炭等。生物质炭的制备原料来源非常广泛,主要包括各种天然物质及其衍生物,如木屑、农业和工业活动产生的有机废弃物、城市固体垃圾、水生植物和藻类等。王晓琦[3]通过玉米秸秆炭和商陆根、叶生物炭对比得出结论:与玉米秸杆源生物炭相比,商陆根、叶源生物炭对铜有较大的吸附容量,与玉米炭相比,商陆根、叶生物炭对铜的吸附性能更好。因此,用不同原料制成的生物质炭土壤重金属的吸附能力也不相同。
            4.2 不同温度生物质炭在不同土壤环境下对重金属的吸附
            大多数的研究只关注于在特定条件下生物质炭对重金属的吸附能力,而忽视了环境条件对生物质炭吸附重金属的影响。事实上,不同温度条件下制备的生物质炭的物理化学性质如 pH、灰分含量、表面结构形态等存在极大的差异[4]。而环境条件如土壤pH、根系分泌的小分子有机酸以及土壤腐殖化过程中产生的大分子腐植酸等均会影响重金属在土壤中的存在形态。陈再明等[5]在350、500、700℃下用水稻秸秆制备的生物质炭并将其施入土壤中,发现其对Cd的最大吸附量分别是65.3、85.7、76.3 mg/g,是原秸秆生物质的5-6倍,是活性炭的2-3倍。因此,不同温度下制备的生物质炭在不同环境条件下对重金属的吸附能力及主导吸附机制可能会存在差异。
            5.结论
            利用生物质炭来修复重金属污染土壤的技术,是一项非常有前途的新技术,与其他的修复技术相比有很多的优点。但由于刚刚起步,它的理论体系和修复技术上还有许多不完善的地方。目前,国内外对其机制的阐释存在不同见解,尚无定论,多数吸附固持作用只能进行定性分析,定量分析存在一定难度。因此,关于修复机制的深入研究必定是今后科研工作的一大重点。
参考文献
[1]Henry R.J.Evaluation of plant biomass resources available for replacement of fossil oil [J]. Plant Biotechnology Journal, 2010(8).
[2]唐行灿,张民.生物炭修复污染土壤的研究进展[J],环境科学导刊,2014(33).
[3]王晓琦.不同生物炭对红壤铜有效性的影响[D].沈阳农业大学,2016.
[4]Cao XD, Harris W.. Properties of dairy-manure-derived biochar pertinent to its potential use in remediation[J]. Bioresource Technology, 2010(10).
[5]陈再明,方远,徐义亮,等.水稻秸秆生物炭对重金属Pb2+的吸附作用及影响因素[J].环境科学学报, 2012(32).

作者简介:王燕(1995.05—),女,浙江省绍兴市人,成都市双流区四川大学环境工程专业 研究生。

 
 

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