改性秸稈炭的制備及其修復(fù)重金屬污染土壤的研究

李峰森 侯振來 王澤川 吳雙

摘?要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)秸稈炭的制備以及修復(fù)重金屬污染土壤的問題進(jìn)行調(diào)查研究，為了解決其目前存在的功能性缺陷，提出了改良秸稈碳的新措施，并對(duì)這些新技術(shù)進(jìn)行了多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在我國(guó)在秸稈碳的制備及其修復(fù)重金屬污染土壤方面具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：改良秸稈炭;重金屬污染;固定機(jī)理;形態(tài)轉(zhuǎn)化

1引言

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和其他行業(yè)排放到土壤中的重金屬元素日益增多，使我國(guó)的重金屬污染問題日益突出。生物炭具有難溶、自身穩(wěn)定性強(qiáng)、比表面積大、表面官能團(tuán)豐富等性質(zhì)，因此對(duì)于重金屬Pb、Cd、Cu等具有有較好吸附作用[1]。本技術(shù)通過對(duì)秸稈炭加以改性，使其大幅度地提升對(duì)于重金屬的固定能力。這對(duì)推動(dòng)我國(guó)重金屬污染土壤的治理工作具有積極的意義，同時(shí)對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用，符合我國(guó)關(guān)于可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2改良秸稈炭的制備

2.1 傳統(tǒng)秸稈炭的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)生物炭的生產(chǎn)主要采用的是碳化技術(shù)，即采用封閉窯體創(chuàng)造缺氧的環(huán)境，利用外部加熱的方式提供生物質(zhì)碳化最初所需的能量，使生物炭材料在數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天的時(shí)間內(nèi)發(fā)生緩慢的碳化反應(yīng)[2]。該方法兼有操作簡(jiǎn)便及低成本的特點(diǎn)，至今仍被大量運(yùn)用于生物炭的制備，尤其在發(fā)展中國(guó)家及欠發(fā)達(dá)國(guó)家。但目前炭化法具有產(chǎn)炭率低的缺點(diǎn)，因此秸稈炭在制備方法上具有很大的提升空間，需要進(jìn)一步提高。同時(shí)傳統(tǒng)的秸稈炭在重金屬污染土壤治理上呈現(xiàn)出來的低效率，也促進(jìn)了對(duì)秸稈炭的理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

2.2 傳統(tǒng)秸稈炭的改性

為了彌補(bǔ)上述秸稈炭制備方法的不足之處，以秸稈為原料，通過在不同溫度的無氧條件下熱解制備秸稈炭。隨后在密閉容器中經(jīng)臭氧氧化處理，對(duì)秸稈炭理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)加以改變。通過此方法可以提高秸稈炭的產(chǎn)炭率，對(duì)于秸稈炭的理化性質(zhì)也具有一定的改變。

3秸稈炭對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)作用

3.1改性秸稈炭對(duì)重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr的固定能力和反應(yīng)機(jī)理

為了驗(yàn)證改性秸稈炭對(duì)于重金屬的固定能力，選用水作為介質(zhì)，研究改性生物炭對(duì)Cd、Hg、As、Pb、Cr的吸附等溫過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性秸稈炭對(duì)于重金屬的鈍化具有更好的效果，這可能是臭氧的氧化作用使秸稈炭的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和理化性質(zhì)更有利于對(duì)重金屬的固定。改良秸稈炭的優(yōu)良性能主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是降低秸稈炭的極性，O+N）/C 可以用來反映生物炭極性的高低，由于對(duì)傳統(tǒng)的秸稈炭的制備技術(shù)進(jìn)行了改良，因此改性秸稈炭中的（O+N）/C 比例大幅度的降低。同樣，降低的（O+N）/C 也說明了生物炭表面官能團(tuán)的損失，這一點(diǎn)可以從生物炭表面含氧官能團(tuán)的變化中得到很好的驗(yàn)證;二是在炭表面的羥基和羧基之間的相互作用下，金屬離子和MOH+進(jìn)行離子交換，重金屬得以吸附在生物炭表面上。因此改性秸稈炭有效的降低了生物炭的極性、增大了其表面積，從而使改性生物炭在結(jié)構(gòu)性質(zhì)和理化性質(zhì)上更有利于對(duì)于重金屬的吸附[3]。

3.2改性生物炭中重金屬在土壤中的形態(tài)轉(zhuǎn)化和微觀過程

重金屬在土壤中的形態(tài)歸納為可交換態(tài)、螯合態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)三類。可交換態(tài)是指沉積物及土壤中的某些成分對(duì)金屬的吸附而形成的一種化學(xué)形態(tài)。螯合態(tài)是指螯合物的狀態(tài)，包括絡(luò)合態(tài)、吸附態(tài)及碳酸鹽結(jié)合態(tài)。殘?jiān)鼞B(tài)是指一般存在于硅酸鹽、原生和次生礦物等土壤晶格中，是自然地質(zhì)風(fēng)化的結(jié)果，在自然狀況下不易被釋放出來，能夠長(zhǎng)期在土壤中存在，而且不被植物所吸收。研究表明[4]，在相同條件下，與傳統(tǒng)的秸稈炭相比，改性秸稈炭可以使土壤中可交換態(tài)的重金屬的含量大幅度減少，螯合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的重金屬的含量大幅度增加，同時(shí)改性秸稈炭可以有效地抑制重金屬由可交換態(tài)向螯合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步地提高了改性秸稈炭對(duì)于重金屬土壤地修復(fù)作用。

4結(jié)論

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)、工業(yè)和其他行業(yè)排放到土壤中的重金屬元素日益增多，使我國(guó)的重金屬污染問題日益突出，因此對(duì)于重金屬污染土壤的修復(fù)工作刻不容緩。與傳統(tǒng)的秸稈炭相比，改性秸稈炭具有較低的極性，較大的表面積等優(yōu)勢(shì)，從而使它能夠?qū)χ亟饘傥廴就寥赖男迯?fù)工作具有極大的推動(dòng)作用。同時(shí)，還能夠緩解由于焚燒作物秸稈而引起的霧霾等空氣污染現(xiàn)象，這將帶來重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]?李永正，毛凌晨，嚴(yán)南峽，陶紅，李師佳.鴿糞基生物炭對(duì)土壤重金屬形態(tài)的影響[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2020，26：185～191.

[2]?劉玉玲，朱虎成，彭鷗，李丹陽(yáng)，楊蕊嘉，彭晶，鐵柏青.玉米秸稈生物炭固化細(xì)菌對(duì)鉻砷吸附 [J].環(huán)境科學(xué)，2020，4：1～13.

[3]?羅陽(yáng)，梁運(yùn)信.不同秸稈炭的制備及其對(duì)鉻污染黃壤中鉻的鈍化效果[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（2）：29～33.

[4]?王俊楠.生物炭在土壤重金屬修復(fù)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（17）：162～163.

作者簡(jiǎn)介：李峰森（1998-），男，漢族，山東省菏澤人，本科在讀，給排水科學(xué)與工程專業(yè)。

基金項(xiàng)目：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201910191104）