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二、支持民营企业提高绿色发展水平
研究老化作用对生物炭吸附重金属的影响机制,对评估生物炭环境行为和其在修复重金属污染土壤中的应用价值具有重要的指导意义。众所周知,生物炭吸附重金属的机理主要包括表面络合作用 、阳离子-π 作用、静电吸引、阳离子交换及(共)沉淀等。因生物炭老化过程中其表面元素组成、含氧官能团以及形貌特征等均发生不同程度的改变(表 1),从而影响生物炭对重金属的吸附量(图 1)。如,Cheng 等研究表明长期暴露的木炭与新鲜木炭相比,其对Cu2+的吸附容量提高2~5 倍,这与长期暴露使得生物炭表面负电荷的增强有关;而Guo 等将生物炭在恒定温度(30±1 ℃)下以60%持水能力在黑暗中孵育300 d,老化后生物炭表面的氧浓度、酚羟基、 芳香醚等含氧官能团增多,而羧基略有下降,从而导致Cu2+在老化生物炭上吸附容量均小于新鲜生物炭。 因而,老化作用对生物炭吸附重金属离子既有促进作用又有抑制作用。
生物炭老化对重金属离子吸附的抑制作用主要为:①比表面积和pH 的降低会导致生物炭对重金属离子(如Pb2+)的吸附量降低;②生物炭表面酚羟基和芳香醚含量增加而羧基数量减少,老化形成的酸性条件下含氧官能团难以解离,从而使得CEC 含量降低,进而导致重金属离子在生物炭上的吸附受到抑制;③在老化形成的酸性条件下,一些重金属离子发生还原反应并以沉淀物形式存在,从而使生物炭对其吸附量降低。
氧化参数(主要是氧化剂浓度、氧化时间和温度)影响老化生物炭的理化特性,进而影响其对重金属的吸附量。其结果显示氧化剂浓度是影响生物炭吸附Cu2+的关键因素,并随着氧化剂浓度的增加生物炭对铜的吸附量降低。此外,Wang 等研究表明,老化生物炭的比表面积和pH 值随着氧化温度(4~45 ℃)增加而降低,因而氧化温度为45 ℃时生物炭对Cu2+的吸附量最低。综上,老化作用对生物炭吸附重金属离子既有促进作用又有抑制作用,但何种情况下产生促进作用?何种情况下产生抑制作用?需待进一步研究。
三、总结及展望
生物炭施入重金属污染土壤在固持土壤重金属和降低其生态毒性方面具有良好的效果。然而,生物炭施入土壤将不可避免地受到化学、物理及生物的作用而发生老化现象。尽管有关生物老化的机理及其对重金属固持的研究已取得一些重要科学进展,但仍有一些关键问题尚待解决,需开展以下几个方面的研究:
1、老化生物炭特性变化与其母源物质及热解温度之间相互关系尚不清楚,因而需要进一步研究两者之间的关联性,进而了解老化进程中生物炭与污染物相互作用的变化规律。
2、鉴于现有研究对物理、化学及生物老化的协同作用机制及贡献率尚不清楚,因而后期应针对该内容进一步研究。
3、目前关于老化作用对生物炭吸附重金属既有抑制作用又有促进作用,到底什么情况下起促进作用?什么情况下起抑制作用?这一点目前尚未明确,因而有待进一步研究。
4、鉴于目前大多数研究是针对老化作用对生物炭吸附单一重金属的影响机制,但在自然环境中往往是多种重金属同时存在。多种重金属共存会存在吸附竞争机制,老化作用会对该机制有什么样的影响, 这一点目前尚不清楚,有待后期进行深入研究。
5、目前研究者主要是静态终端地描述老化生物炭特性,这无法有效评估生物炭在其生命周期内环境效应的动态变化过程,因而需要建立一种长期、动态示踪老化生物炭特性的方法。
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