应用|生物质炭在重金属污染土壤修复中的应用研究现状-第4页-北极星环境修复网

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03生物质炭性质及对土壤环境的影响

不同条件生物质炭性质的影响

重金属在自然环境中是无法降解的,而生物质炭可以与重金属离子产生络合、静电吸附等作用,从而降低重金属对生态环境的危害。生物质炭随原料种类、加工方式的不同,其比表面积、孔径分布、表面官能团等物化性质均有差异,从而对重金属的吸附、固化、稳定化效果也有不同。也正是由于这些差异,给土壤重金属污染修复提供了更多选择的空间。

原料种类

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生物质炭制备原料来源广泛,常用原料有农业秸秆、畜禽粪便、林产品剩余物等。Cao 等以动物粪便为原料,在不同的温度下炭化制备生物质炭,并探究了其对重金属的吸附能力,研究发现生物质炭的比表面积比活性炭要小得多,但是生物质炭对铅的吸附量可达到活性炭的 6 倍,并提出其本身富含的 P 元素可以与土壤中的 Pb 形成不溶的磷酸盐,从而大大降低了土壤中 Pb 的活性。李瑞月等选取小麦、水稻、玉米秸秆 3 种原料制备生物质炭,结果表明 3 种原料制备的生物质炭对 Pb2 + 、Cd2 +吸附速率有较大差别。高青等以小麦秸秆为原料制备生物质炭,其对 Cd2 + 的吸附去除率达 90 % 以上。夏广洁等研究了牛粪源和木源生物质炭对 Pb(II) 和 Cd(II) 的吸附性能,发现牛粪源生物质炭比木源生物质炭更适合去除各类重金属。刘莹莹等选取小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳热裂解制备生物质炭,并研究3种生物质炭对溶液中 Cd2 + 和 Pb2 + 的吸附特性,结果表明,3种原料制备的生物质炭对溶液中 Cd2 +的去除率均在 90%以上,而对溶液中Pb2 + 去除效果为玉米秸秆炭 > 小麦秸秆炭 > 花生壳炭。

热解温度

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在热解温度较低的条件下制得的生物质炭孔隙率和比表面积都很小,但其表面含有大量的含氧官能团,这使其与金属离子之间可以产生较强的静电引力,这也是生物质炭吸附重金属的主要作用力。然而,随着热解温度的升高,生物质炭表面含氧官能团的含量下降,但是孔隙率增加,芳香化程度变高,比表面积也逐渐增大,而吸附重金属的能力逐渐变小。安增莉等发现热解温度为 300 ~ 600 °C 时,制备的4种生物质炭对Pb(II) 的吸附容量从小到大依次为RC600

表面官能团

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生物质炭表面含有丰富的—COOH、—COH 和—OH 等含氧官能团,这些官能团可以与金属离子形成特定的金属配合物,从而可使重金属离子在土壤中固定。佟雪娇等研究稻草炭对 Cu(II)的吸附时发现稻草炭表面丰富的含氧官能团( —COOH、—OH) 与 Cu2 + 形成有机络合物,Cu(II)在稻草炭表面发生了专性吸附。Glaser 等研究表明,通过将土壤中的生物质炭表面部分轻度氧化形成羰基、酚基和醌基,可明显提高土壤的阳离子交换量( CEC) 。

对土壤环境的影响

土壤中添加生物质炭后,对不同类型重金属离子的影响如表 4 所示。生物质炭可以改变土壤的持水量、CEC、pH 值等理化性质,从而减少土壤中重金属对作物生长的影响。生物质炭可以不同程度地提高土壤 pH 值,可以增加土壤表面活性吸附位点,还可以形成金属磷酸盐、碳酸盐或氢氧化物而沉淀,使土壤对重金属阳离子的吸附更强。

姜玉萍等综述了生物质炭特性及其对土壤环境和作物生长的影响,土壤中施加一定量生物质炭,可增加土壤阴、阳离子交换量,减少养分损失,改变土壤微生物丰度及群落,降解土壤污染物等,同时生物质炭还田是提高土壤肥力、增加碳封存时间的有效途径,能增加作物生物量和产量。Pan 等以 Fe( III) 对生物质炭进行表面改性,并研究了对土壤中 As 的吸附效果。

结果表明,在生物质炭上形成的非晶态氢氧化铁,明显减少了生物质炭表面的负电荷,并降低对 As( V) 的静电排斥力; 未改性的生物质炭对 As( V) 的吸附容量低,而 Fe( III) 改性大大增强了生物质炭对 As( V) 的吸附容量。Beesley 等的研究表明,生物质炭不仅可以对 As 产生表面吸附,还可以对渗滤液中 As 的浓度产生显著的影响。

研制土壤修复专用生物质炭,使其用于修复重金属污染土壤,符合土壤资源持续利用的发展要求,具有广泛的应用前景。

随着产业结构的调整和城市布局的优化,目前全国范围内存在大批污染企业关闭和搬迁的情况,涉及多个行业,将产生数百万亩被重金属污染的场地。我国生物质资源贮存量丰富,生物质炭制备工艺集成化程度高、绿色环保。

因此,研制土壤修复专用生物质炭,使其用于修复重金属污染土壤,符合土壤资源持续利用的发展要求,具有广泛的应用前景。

具体表现在以下几方面:

1) 从发达国家的环保产业发展趋势来看,目前欧美发达国家的土壤修复产业已经占整个环保产业的 50 % 以上。尽管目前土壤修复产业在我国还是一个崭新的领域,但随着公众环保意识的增强和环保投入的逐年增加,必将推动我国污染场地土壤修复的产业化发展。

2) 从项目的成果转化和应用来看,针对典型工业污染场地的突出环境问题,以技术创新→设备研发→集成示范→修复标准→技术规范为研究主线,关键修复技术的突破和专用材料设备的研制既有针对性,又有一定的普适性,技术成果与国家需求紧密结合,产业化周期短,易于推广,必将有利于促进我国污染场地土壤修复的产业化发展。

3) 从国内外的研究成果来看,生物质炭对重金属污染物的吸附主要受生物质炭的理化性质和污染物的结构与性质两方面因素的影响。因此,生物质炭吸附土壤中重金属污染物最终负载容量以及实际修复效果还需要理论研究和工程化示范验证。

延伸阅读：

预测未来之污染土壤修复技术

原标题：应用| 生物质炭在重金属污染土壤修复中的应用研究现状

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