生物炭對重金屬污染的修復作用研究進展

郭彥秀 吳迪 孫振凱 官少燕

摘要：指出了隨著國家對環境保護的重視，重金屬污染帶來的環境問題也越來越受到廣大科研工作者的關注。生物炭作為新興吸附劑，因其低成本、吸附性能高、孔隙度大且含碳量高成為理想的吸附材料，對水體、大氣中的重金屬污染具有有效的吸附作用，能減輕環境污染，提升生態質量。從生物炭的具體研究現狀進行了論述，并對生物炭修復重金屬污染土壤領域的發展進行了展望。

關鍵詞：生物炭;重金屬污染;土壤修復

中圖分類號：S156.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）10-0072-02

1引言

生物炭是指生物質（玉米稈、種殼、木材等）在無氧或缺氧條件下經過高溫裂解，轉化成的穩定富碳產物。重金屬之所以會對人體、環境造成嚴重威脅，是因為其污染具有持久性和非生物降解性的特點。毒性很強的重金屬，如汞，隨著循環系統進入人體各器官，對人體健康造成極大傷害。對土壤、農作物、水體等的危害則是通過生物積聚、生物放大作用等破壞生態環境，使得人類賴以生存的生態環境遭到嚴重破壞。作為新型吸附劑的生物炭，因為其具有較大的比表面積、高度的生化抗分解性以及獨特的多孔結構，而作為吸附重金屬、改善環境質量、促進農作物生長、降低生物威脅的良好吸附劑。生物炭對受重金屬污染土壤的修復作用尤為顯著。

2研究現狀

針對重金屬的嚴重破壞性，專家學者也在研究處理重金屬的優良辦法，傳統的處理重金屬污染的方法主要有膜分離法、化學沉淀法和電化學法等，但由于每種處理方法在操作上都存在一定的局限性，所以吸附法以其獨特的優點得到了廣泛的應用。生物炭在處理污染土壤時，作為化學鈍化劑，經過一系列吸附、絡合、沉淀等反應，使得目標污染物轉化成穩定的狀態，從而達到降低重金屬可遷移性，實現土壤修復。

2.1作用原理

科學界研究生物炭對于重金屬的土壤修復效應的成果顯示，來源和制備溫度不同的生物炭修復受重金屬污染的土壤的能力不同，同時，不同類型的重金屬對生物炭也有不同的響應，這就使得生物炭對重金屬污染的土壤修復效果存在差異。生物炭的研究主要通過兩個方面進行：一是探究生物炭協同重金屬污染物在土壤中的遷移過程，即生物質的作用原理，二是研究影響生物質在土壤中遷移的因素，例如：離子強度、pH值。研究發現：生物炭的使用，使重金屬污染物在土壤的毒性和有害性顯著降低，通過表面吸附作用和分配作用將重金屬固定在土壤中，這就使得農作物減少了對重金屬的吸收，從而降低有害重金屬的生物毒性。

2.2研究內容

有學者通過批量吸附實驗，研究了生物質、非改性生物炭、改性生物炭對Cd2吸附的機理原理以及pH值、投加量等因素對氨氮吸附的影響。當平衡濃度在40mg/L以內時，吸附量與濃度呈顯著正相關，超過此濃度時，吸附量則趨于平衡。通過等溫吸附數據的擬合結果知，Langmuir方程反映出：非改性玉米秸稈生物炭對Cd2+的吸附以多層吸附為主，常用于描述物理吸附行為;玉米秸稈生物炭對Cd2+的吸附過程表現為單分子層吸附，主要表現為化學吸附行為。

除此之外，生物炭對土壤的硝化速率、硝酸根的吸附、土壤微生物氮素固定都有一定的影響。生物炭吸附硝酸根的能力受溫度影響顯著，隨著溫度的升高，生物炭逐漸發生熱裂解，其中的官能團發生改變，呈堿性的官能團轉化成為酸性官能團，給硝酸根的吸附提供足夠多的陰離子交換位點，促進了硝酸根和生物炭的吸附。生物炭和污染物化學性質的變化都能夠促進生物炭對重金屬的吸附轉化、實現目標污染物的降解。在生物炭與土壤接觸的過程中，土壤的理化性質也會受到影響，當土壤中加入少量的生物炭時，土體密度會顯著降低，這是生物炭本身的密度小的緣故。此外，生物炭的加入可以改善微生物的生存環境，促進它們的生長和繁殖，調節生物體與土壤之間的相互作用，使得土壤孔隙率間接地發生變化。

3展望

生物炭作為新興吸附劑，在治理土壤重金屬方面得到了廣泛的應用，其制備來源也多種多樣，由于沒有統一的制備標準和檢驗標準，使得實驗數據的處理難以形成統一的規范，因此，生物炭領域的研究還需進行規范、嚴謹的探索。

廢棄農作物是生物炭的主要來源，生物炭與土壤中的重金屬發生吸附、轉化作用之后可重新回歸生態，因此，生物炭的應用和推廣應堅持以廢棄農作物循環利用為出發點，將治理土壤重金屬污染與廢棄物回收利用有機的結合起來，實現治理與利用的平衡最大化。

由于生物炭本身能夠提高土壤pH值、增強土壤保水能力和降低土壤容重，促進植物生長發育，因此，生物炭的價值不僅局限于修復土壤的重金屬污染，可將今后的研究更多地關注于植物生長，實現生物炭的多層次利用。

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