生物質(zhì)炭在土壤污染修復(fù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙秀云+文貞+張楨超+張逸行+劉玉真

【摘 要】生物質(zhì)炭是利用生物質(zhì)原料在缺氧條件下經(jīng)過(guò)高溫裂解生成的一類富含碳、高度芳香化的固體物質(zhì)。生物質(zhì)炭由于具有較大的比表面積，豐富的孔隙結(jié)構(gòu)、好的持水性和較強(qiáng)的吸附性，長(zhǎng)期以來(lái)成為農(nóng)業(yè)科學(xué)、土壤學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文綜述了生物質(zhì)炭的制備方法，總結(jié)了生物質(zhì)炭在重金屬和有機(jī)污染土壤中的應(yīng)用，為生物質(zhì)炭在環(huán)境污染修復(fù)尤其是土壤污染修復(fù)中的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】生物質(zhì)炭；土壤污染；修復(fù)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，人類活動(dòng)產(chǎn)生大量污染物[1]，這些污染物通過(guò)大氣沉降、污水灌溉、固廢填埋等途徑進(jìn)入土壤，造成土壤污染[2]。國(guó)土資源部2014年發(fā)布的全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)中顯示，全國(guó)土壤總超標(biāo)率為16.1%，污染程度以輕微、輕度和中度污染為主，所占點(diǎn)位比例分別是11.2%、2.3%和1.5%[3]。污染物進(jìn)入土壤后能夠改變土壤性質(zhì)，影響植物生長(zhǎng)，并隨食物鏈進(jìn)入人體，對(duì)人體造成危害[4]。在眾多的土壤污染治理技術(shù)中，原位鈍化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，原位鈍化技術(shù)中最關(guān)鍵的是尋求一種價(jià)格低廉，吸附性能好的鈍化劑[5]。利用農(nóng)村廢棄物如秸稈等制備的生物質(zhì)炭由于孔隙結(jié)構(gòu)豐富，比表面積大，能夠吸附土壤中重金屬和有機(jī)污染物，因此，在修復(fù)污染土壤中有一定應(yīng)用[6]。本文主要綜述了生物質(zhì)炭的方法以及在污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用，并對(duì)生物質(zhì)炭發(fā)展前景作出展望。

1 生物質(zhì)炭的制備

生物質(zhì)炭的制備方法有直接炭化法、氣體活化法和水熱炭化法。直接炭化法就是將生物質(zhì)原料清洗烘干后，在缺氧的條件下直接高溫裂解炭化，制備生物質(zhì)炭的方法。王碧鈺等[7]以醋糟為原料，在700℃絕氧條件下，制得的醋糟生物質(zhì)炭比表面積為6.8739m2/g，有較多的微孔結(jié)構(gòu)，吸附性能較好。另有用馬弗爐在低溫下將麥稈、玉米稈和向日葵桿裂解炭化，生成的生物質(zhì)炭表面含有大量的官能團(tuán)，在堿性條件下帶負(fù)電荷，有利于吸附金屬陽(yáng)離子[8]。氣體活化法又稱物理活化法，是指生物質(zhì)原料在高溫條件下炭化，再通入二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體，制備多孔性生物質(zhì)炭的方法。張磊等[9]以廢棄的棉麻、黃麻和棉/亞麻混紡為原料，在600℃的炭化溫度和750℃的活化溫度下制得的生物質(zhì)炭比表面積達(dá)到703.05m2/g、719.93m2/g和648.25m2/g，且具有豐富中孔結(jié)構(gòu)，對(duì)有機(jī)物具有較強(qiáng)的吸附能力。水熱炭化法是指在高溫、高壓以及水溶液存在的條件下，將有機(jī)原料轉(zhuǎn)化為生物炭的方法，它是一種能顯著提高生物質(zhì)炭性能的預(yù)處理工藝。這種方法相比于直接炭化法，生物質(zhì)炭產(chǎn)率高，比表面積大，對(duì)緩解自然資源浪費(fèi)具有較大的潛力。

2 生物質(zhì)炭在土壤污染修復(fù)中的應(yīng)用

目前土壤污染主要為有機(jī)污染和重金屬污染。土壤中有機(jī)污染物的來(lái)源主要有工業(yè)排放、農(nóng)藥濫用和垃圾填埋等，其主要成分是芳香化合物、多氯代有機(jī)物、農(nóng)藥和石油等，這些污染物大多難溶且毒性較大。楊小兵等[10]將以小麥秸稈為原料，在不同溫度下制備的生物質(zhì)炭對(duì)土壤中對(duì)呋喃丹的吸附能力比自然土壤提高20倍。史明等[11]利用秸稈制備的生物質(zhì)炭，能夠提高土壤的陽(yáng)離子交換量和pH值，影響土壤對(duì)多環(huán)芳烴的固定作用；同時(shí)，生物質(zhì)炭復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)給微生物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，能促進(jìn)微生物分解多環(huán)芳烴，降低其對(duì)土壤的危害。重金屬進(jìn)入土壤不僅會(huì)改變土壤的結(jié)構(gòu)和功能，抑制植物生長(zhǎng)并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，危害人類健康。王丹丹等[12]對(duì)比300℃和700℃高溫條件下制備出生物質(zhì)炭的吸附性能發(fā)現(xiàn)，隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭的孔徑不斷增大，對(duì)土壤中Cd2+的吸附能力增強(qiáng)。嚴(yán)靜娜等[13]對(duì)比蠶沙在300℃、500℃和700℃溫度下裂解得到的生物質(zhì)炭，對(duì)土壤中Cd2+和Pb2+的鈍化效果，發(fā)現(xiàn)土壤pH值隨裂解溫度升高而增大，從而影響重金屬離子的水解平衡，促使Cd2+和Pb2+通過(guò)沉淀作用固定。

3 生物質(zhì)炭的土壤環(huán)境效應(yīng)

生物質(zhì)炭主要通過(guò)改變土壤團(tuán)聚體粒徑大小，pH，養(yǎng)分循環(huán)等，引起的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)改變。首先，生物質(zhì)炭能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體顆粒的形成。土壤團(tuán)聚體顆粒越大，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高，有利于微生物生長(zhǎng)，并且土壤中微團(tuán)聚體能很好的鈍化Cr6+等重金屬離子，降低其對(duì)微生物生長(zhǎng)的危害。其次，研究中發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中加入生物質(zhì)炭后，土壤微生物的含量升高，這主要是因?yàn)樯镔|(zhì)炭提高土壤pH，改變微生物生長(zhǎng)環(huán)境。

4 展望

生物質(zhì)炭在修復(fù)污染土壤方面，能夠吸附降解土壤中的有機(jī)污染物，固化重金屬離子，有效的降低土壤污染物的遷移性和生物可利用性；在提高土壤肥力方面，生物質(zhì)炭能為土壤微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，增加土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素。但是通過(guò)該方法鈍化后的污染物仍存留在土壤中，存在潛在危害。目前對(duì)生物質(zhì)炭進(jìn)入土壤后的化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成變化等方面缺乏數(shù)據(jù)支持，因此需要進(jìn)一步探究。

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[責(zé)任編輯：張濤]endprint