苯多羧酸分子標(biāo)志物對(duì)生物炭吸附磷行為的表征

張軍，周丹丹*，常兆峰，王薇，李芳芳，劉洋，儲(chǔ)剛，古正剛

（1.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，昆明650500；2.云南省土壤固碳與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明650500；3.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，昆明650500）

目前磷肥的過量施用加速土壤酸化，降低作物產(chǎn)量，造成水體污染及富營養(yǎng)化，并對(duì)生物多樣性及人類健康構(gòu)成威脅[1]。生物炭（Biochar）是生物質(zhì)原料在無氧或缺氧的條件下熱解形成的含碳量高的固態(tài)物質(zhì)[2]，因其具有比表面積大、表面官能團(tuán)豐富、陽離子交換量較大且具有芳香性，能有效吸附重金屬（Cu、Pb、Zn等）、N、P和有機(jī)污染物。因此，生物炭特性對(duì)其吸附污染物的行為至關(guān)重要。生物炭一旦施用于土壤中，并經(jīng)過物理、化學(xué)及生物老化過程后，難以將其從土壤顆粒中分離出來。目前常用于生物炭特性定性或定量表征的方法（如掃描電鏡?能譜、元素分析、核磁共振以及傅里葉紅外光譜等[3]），難以從生物炭?土壤復(fù)雜混合體系中描述生物炭特性，成為動(dòng)態(tài)表征生物炭環(huán)境效應(yīng)的障礙。

分子標(biāo)志物已被廣泛應(yīng)用于土壤及沉積物中碳行為研究，是有機(jī)地球化學(xué)研究領(lǐng)域的重要技術(shù)手段。其中，苯多羧酸（Benzene polycarboxylic acids，BPCAs）分子標(biāo)志物已成功用于描述土壤中炭黑的來源和特性[4]，為復(fù)雜體系中碳行為的研究提供了重要的技術(shù)方法。BPCAs分子標(biāo)志物主要是通過對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行氧化處理，破壞濃縮度高的芳香結(jié)構(gòu)而形成單個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的小芳香結(jié)構(gòu)，如苯三甲酸（Benzene tricarboxylic acid，B3CA）、苯四甲酸（Benzene tetracarboxylic acid，B4CA）、苯五甲酸（Benzene pentacarboxylic acid，B5CA）等。一般認(rèn)為，羧基取代的量越多，其芳香縮合度越高。B6CA/BPCA值可作為表征生物炭芳香族縮合或芳香性的指標(biāo)，較高的B6CA/BPCA值通常具有較高的芳香性或縮合度[5]。因此，通過各個(gè)BPCAs單體分子的相對(duì)含量能夠得到炭黑的性質(zhì)和來源。這個(gè)技術(shù)的引入為復(fù)雜混合體系中生物炭特性描述提供重要的技術(shù)手段，從而有利于動(dòng)態(tài)表征生物炭對(duì)污染物的吸附行為。本研究選擇煙稈和松木為原料，在200～600℃下限氧制備生物炭，通過批量吸附實(shí)驗(yàn)，探討了B6CA/BPCA值與生物炭吸附磷行為的聯(lián)系。本研究將有助于動(dòng)態(tài)表征生物炭施入土壤后對(duì)磷的吸附行為。

1 材料與方法

1.1 生物炭制備

制備生物炭所用的生物質(zhì)原料：松木采自昆明市周邊木材加工廠，煙稈采自楚雄某煙草種植區(qū)。將松木和煙稈于烘箱中60℃烘干，研磨粉碎后過60目篩，置于馬弗爐中，通入氮?dú)猓诓煌瑴囟龋?00、400、600℃）下熱解4 h制得生物炭。冷卻至室溫后裝入瓶中保存待用，生物炭分別標(biāo)記為WBC0、WBC200、WBC400、WBC600和TBC0、TBC200、TBC400、TBC600，WBC0和TBC0分別代表松木和煙稈，數(shù)字代表相應(yīng)熱解溫度。

1.2 生物炭表征

稱取0.4 g生物炭放于40 mL瓶中，加入40 mL去離子水，靜置過濾，測定濾液的pH值[3]；采用元素分析儀（Elementar Vario Micro Cube，Germany）測定生物炭中C、N、H、S和O元素的含量，并計(jì)算H/C、O/C和（N+O）/C原子個(gè)數(shù)比；比表面積（BET?N2）采用比表面積分析儀（JW?BK132F）進(jìn)行表征；傅里葉紅外光譜分析（FTIR）采用溴化鉀壓片法，生物炭樣品與KBr以質(zhì)量1∶1 000充分研磨混合并壓片，并利用傅里葉紅外光譜儀（Varian 640?IR）進(jìn)行表征，其掃描區(qū)域?yàn)? 400～400 cm?1，分辨率4 cm?1，掃描次數(shù)為100次；樣品于馬弗爐中800℃加熱4 h[6]測定其灰分含量。利 用Zeta分 級(jí) 器（BI?870，Brookhaven Instruments Corporation）測定生物炭Zeta電位[7]。

1.3 生物炭苯多羧酸分子標(biāo)志物（BPCAs）的測定

根據(jù)Brodowski等[8]方法分析生物炭中的BPCAs，取5 mg生物炭放入反應(yīng)釜中，加10 mL 4 mol·L?1三氟乙酸（TFA）溶液，105℃加熱4 h。隨后取出抽濾并用去離子水反復(fù)沖洗，40℃烘干。把濾渣放入反應(yīng)釜中，加入2 mL 65%的HNO3，170℃加熱8 h，冷卻室后加10 mL去離子水過濾。取2 mL濾液，加入10 mL去離子水和100μL檸檬酸，混合均勻過陽離子交換層析柱（Dowex 50 WX8，200～400目），收集液體冷凍干燥。將處理過的含水樣品冷凍干燥并重新溶解于甲醇中，并加入100μL聯(lián)苯?2，2′?二羧酸酯，氮?dú)獯祾吒稍?，然后加?00μL無水吡啶和100μL BSTFA+TMCS，烘箱80℃反應(yīng)2 h，進(jìn)行衍生化處理。冷卻至室溫后放入冰箱冷藏24 h，進(jìn)氣相色譜?質(zhì)譜聯(lián)用儀（Agilent，7890A GC equipped with a 5975C quadrupole mass selective detector）測定BPCAs。

1.4 批量吸附實(shí)驗(yàn)

利用KH2PO4在去離子水中配制濃度為50 mg·L?1的P標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液（以分子式中P含量計(jì)算），其中KH2PO4為優(yōu)級(jí)純。將儲(chǔ)備液用去離子水稀釋成濃度范圍為1～20 mg·L?1P溶液。每個(gè)吸附曲線包括8個(gè)濃度，每個(gè)濃度進(jìn)行兩個(gè)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)按照固液比為1∶100（m∶m），稱取40 mg生物炭放入40 mL螺口玻璃樣品瓶中，分別加入40 mL濃度為1～20 mg·L?1的P溶液，于20℃下以120 r·min?1振蕩7 d，懸濁液以2 500 r·min?1離心10 min，過0.45μm微孔濾膜，采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測定P的濃度，通過方程（1）計(jì)算在不同初始濃度下，生物炭對(duì)P的吸附量。

式中：Qe為吸附平衡時(shí)生物炭對(duì)P的吸附量，mg·kg?1；C0和Ce分別為初始和吸附平衡時(shí)溶液中P的濃度，mg·L?1；V為溶液體積，mL；m為生物炭質(zhì)量，mg。

1.5 數(shù)據(jù)分析

借助Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用Langmuir（公式2）和Freundlich（公式3）模型擬合吸附等溫線，并使用SigmaPlot 10.0進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，公式如下：

式中：Qe和Qm分別為平衡吸附量和吸附容量，mg·kg?1；Ce為平衡溶液中P的濃度，mg·L?1；KL為Langmuir模型吸附系數(shù)，L·kg?1；KF為Freundlich模型吸附系數(shù)，（mg·kg?1）·（mg·L?1）?n；n為Freundlich常數(shù)。

單點(diǎn)吸附系數(shù)（Kd，L·kg?1）可以表征生物炭對(duì)P的吸附量大小，Kd值越大，吸附量越大，其公式為：

由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量和模型中系數(shù)的數(shù)量不相同，常用的決定系數(shù)R2不能直接進(jìn)行比較。通過公式（4）將R2轉(zhuǎn)化為R2adj進(jìn)行比較[9]：

式中：m為用于擬合的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量；b為方程中系數(shù)的數(shù)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)及生物炭的特性

生物質(zhì)及生物炭的理化性質(zhì)見表1。因松木中木質(zhì)素含量高于煙稈[10]，在熱解過程中木質(zhì)素含量對(duì)焦炭產(chǎn)物的貢獻(xiàn)率較高[11]，從而導(dǎo)致松木生物炭產(chǎn)率高于煙稈生物炭產(chǎn)率。隨著熱解溫度的升高，生物炭中C含量增加，而O和H含量降低，這是由于生物質(zhì)在熱解過程中發(fā)生脫水、脫羧基和脫氫等作用，其所含飽和脂肪烴向不飽和脂肪烴和芳香烴轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生[6]。煙稈生物炭的N含量明顯高于松木生物炭，這與煙稈在種植過程中施加大量氮肥使得大量氮素在煙稈中累積[12]所致。生物質(zhì)和200℃生物炭的H/C均較高（H/C＞1.0），這與生物質(zhì)和200℃生物炭中含有大量原始有機(jī)物，如聚合物?H2、脂肪酸、木質(zhì)素（芳香核心）和一些纖維素（極性部分）有關(guān)[13]。熱解溫度升高，生物炭中H/C和O/C急劇下降，表明高溫使得生物炭炭化程度增加，并使其疏水性[13]及芳香化程度增強(qiáng)[3]。

生物炭比表面積隨熱解溫度升高而增大，熱解溫度在200～400℃時(shí)，生物炭比表面積增加比較緩慢，當(dāng)熱解溫度達(dá)到600℃時(shí)，比表面積迅速增加。這可能是因?yàn)闊峤鉁囟壬咧?00℃時(shí)，生物炭中所含的揮發(fā)性有機(jī)物迅速增加并隨通入的氮?dú)馀懦?，使其在生物炭中的殘留量減少，進(jìn)而促使生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育得更好[14]。另外，熱解溫度低于600℃時(shí)，煙稈生物炭比表面積高于松木生物炭。這與該熱解溫度下生物質(zhì)中半纖維素和纖維素比木質(zhì)素更容易迅速分解，使得生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育得更好[15]有關(guān)。

隨熱解溫度的升高，生物炭中灰分含量和pH值不斷增加，這表明熱解過程中生物質(zhì)中大部分無機(jī)礦物成分不斷積累并保留在生物炭中[14]。

2.2 BPCA分子標(biāo)記對(duì)生物炭屬性的描述

兩類生物炭中BPCAs的含量均隨熱解溫度的增加而增加。如松木原生質(zhì)中BPCAs含量為21.41 mg·g?1C（WBC0），600℃松木生物炭中BPCAs含量為397.32 mg·g?1（WBC600），增加了近18倍（圖1）。隨著熱解溫度的升高，BPCAs的含量明顯增加，而H/C呈減少趨勢（表1），BPCAs和H/C的變化趨勢均說明生物炭中形成了不飽和碳結(jié)構(gòu)，如芳香環(huán)結(jié)構(gòu)[5]。另外，對(duì)比兩類生物質(zhì)及其制備的生物炭發(fā)現(xiàn)，松木及其制備的生物炭BPCAs含量＞煙稈及其制備的生物炭，可能原因是松木比煙稈含有更多的木質(zhì)素成分，而芳香環(huán)結(jié)構(gòu)主要由木質(zhì)素貢獻(xiàn)[3]。

表1 生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of biochars

通常用單個(gè)BPCA分子標(biāo)記的貢獻(xiàn)來推斷芳香簇的大小，特別是B6CA的含量[16]。隨著溫度的升高，特別是從400℃到600℃，B6CA的相對(duì)含量隨之增加，分別從58.24 mg·kg?1C（TBC400）增加到238.18 mg·kg?1C（TBC600）和從65.40 mg·kg?1C（WBC400）增加到216.34 mg·kg?1C（WBC600）（圖1）。兩類生物炭中B6CA對(duì)BPCA的貢獻(xiàn)率隨熱解溫度的升高而增加，如熱解溫度≤400℃制備的生物炭中B6CA含量介于15%～31%，而600℃生物炭中B6CA含量增至54%～62%，600℃生物炭中B6CA對(duì)BPCA的貢獻(xiàn)率均高于50%（圖2），這表明生物炭的芳香縮合度隨熱解溫度升高不斷增強(qiáng)[5]，這與元素分析中H/C的結(jié)果一致。

2.3 生物炭的FTIR光譜圖

圖3 為生物質(zhì)及生物炭的FTIR光譜圖。隨著熱解溫度的升高，在3 400 cm?1附近的羥基[6]伸縮振動(dòng)峰減小，這是因?yàn)樵谔炕^程中，生物質(zhì)發(fā)生脫水和脫羥基作用，使得羥基大量減少，吸收峰明顯變?nèi)鮗14]。2 975、2 886 cm?1為存在于脂肪族和脂環(huán)族化合物中的CH或CH3伸縮的峰，1 051 cm?1處為脂肪族CO伸縮的峰，當(dāng)熱解溫度≥400℃時(shí)，CH伸縮振動(dòng)峰消失，表明隨著熱解溫度的升高，生物炭中的非極性脂肪族官能團(tuán)不斷減少。對(duì)于TBC0樣品，在1 720 cm?1處發(fā)現(xiàn)COOH的CO伸縮峰在隨熱解溫度的升高后消失，在松木生物炭中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，可能是因?yàn)楹豕倌軋F(tuán)被熱解分裂導(dǎo)致羧基的減少和消失。CO鍵在高熱解溫度（≥600℃）下易被熱解生成氣體或液體產(chǎn)物，所以1 616 cm?1處酮類中的CO鍵于600℃后顯著減少。波數(shù)位于1 385 cm?1處的酚羥基的OH伸縮振動(dòng)，在TBC中表現(xiàn)出隨熱解溫度的升高逐漸減弱，而在松木生物炭中沒有明顯變化。結(jié)果表明，隨熱解溫度的升高，含氧官能團(tuán)等含量呈下降趨勢，熱解溫度升高可能降低官能團(tuán)活性[17]。

2.4 生物炭的Zeta電位

兩類生物炭的Zeta電位均為負(fù)值且隨熱解溫度的升高呈現(xiàn)逐漸下降趨勢（圖4），煙稈生物炭和松木生物炭的Zeta電位分別從?17.63 mV和?14.47 mV降至?43.36 mV和?22.93 mV。生物炭表面的羥基和羧基官能團(tuán)是其表面帶負(fù)電荷的主要因素[18]，熱解溫度升高，羥基和羧基官能團(tuán)的去質(zhì)子化增強(qiáng)，生物炭表面負(fù)電荷量增加[19]，從而使生物炭的Zeta電位降低。

2.5 生物炭對(duì)P的吸附等溫線

由于WBC0前4個(gè)濃度點(diǎn)吸附出現(xiàn)負(fù)值導(dǎo)致WBC0無法擬合，這可能是WBC0吸附量較低所致。除了WBC0外，利用Freundlich和Langmuir對(duì)兩類生物質(zhì)及其制備的生物炭吸附P的等溫線進(jìn)行擬合（圖5），其擬合參數(shù)見表2。Langmuir對(duì)煙稈及其制備的生物炭吸附P的等溫線擬合，其調(diào)整后可決系數(shù)（Radj2，0.739～0.962）大于Freundlich的（0.748～0.953），說明Langmuir更適合描述煙稈及其制備的生物炭對(duì)P的吸附。對(duì)松木及其制備的生物炭來說，F(xiàn)reundlich對(duì)其吸附P的等溫線擬合，其調(diào)整后可決系數(shù)（Radj2，0.810～0.976）大于Langmuir的（0.726～0.975），表明Freundlich更適合描述松木生物炭對(duì)P的吸附。由表2可以看出，松木200℃生物炭的非線性較弱（n值為0.94），但隨熱解溫度的升高，n值逐漸降低，達(dá)到600℃時(shí)，n值降低為0.17，顯示出明顯的非線性吸附特征。然而，煙稈生物炭卻表現(xiàn)出相反結(jié)果，隨熱解溫度升高，n值逐漸升高，非線性吸附特征逐漸減弱。相關(guān)研究認(rèn)為，n值大小可反映出吸附位點(diǎn)的能量分布，n值越小，吸附位點(diǎn)能量分布范圍越大[20]。通過n值與生物炭性質(zhì)的關(guān)系（圖6）可發(fā)現(xiàn)，隨熱解溫度增加，F(xiàn)reundlich模型的非線性因子n值與WBC的B5CA/B6CA及H/C原子比均呈顯著正相關(guān)（P＜0.01），而TBC反之。土壤中測得的H/C不僅來源生物炭，還有可能來源于其他有機(jī)組分，而BPCA可識(shí)別炭黑的來源和性質(zhì)，生物炭具有與炭黑相似的結(jié)構(gòu)單元。因此，可將BPCA分子標(biāo)志物法用于生物炭定性和定量分析中[5]。相關(guān)性分析表明，如獲得并組合更多數(shù)據(jù)，則可建立B5CA/B6CA和n值之間的定量關(guān)系。

表2 Freundlich模型和Langmuir模型吸附等溫線擬合參數(shù)Table 2 Freundlich and Langmuir isotherm fitting results of phosphorus adsorption

通過計(jì)算不同濃度P（1、10 mg·L?1）條件下，生物炭對(duì)P吸附的吸附系數(shù)（Kd，見表2）發(fā)現(xiàn)，隨著P濃度的增加，F(xiàn)reundlich中兩類生物炭的Kd值均有所下降，這是因?yàn)樯锾繉?duì)P的吸附為非線性吸附（圖5）。表2顯示了煙稈和松木生物炭對(duì)P酸鹽的最大吸附量Qm值，兩類生物炭對(duì)磷酸鹽的Qm值差別較大。隨熱解溫度的升高，煙稈生物炭對(duì)P的吸附呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其拐點(diǎn)出現(xiàn)在熱解溫度為400℃時(shí)，其Qm=583.51 mg·kg?1。這種現(xiàn)象可以從3個(gè)方面進(jìn)行解釋。其一，隨熱解溫度升高，煙稈生物炭比表面積的增加能夠?yàn)镻提供更多的吸附位點(diǎn)，從而促進(jìn)生物炭對(duì)P的吸附；其二，當(dāng)熱解溫度≥400℃時(shí)，煙稈生物炭表面含氧官能團(tuán)下降以及B6CA含量增加，導(dǎo)致生物炭吸附P的位點(diǎn)減少，進(jìn)而使生物炭對(duì)P的吸附量降低。其三，熱解溫度≥400℃時(shí)，體系中pH為7.80～9.30，P的主要形態(tài)主要為HPO2?4，呈負(fù)電性[21]，且Zeta電位為?42.36 mV，從而使生物炭與P之間的靜電斥力大量增加，吸附量降低。

松木生物炭的Qm值隨熱解溫度的升高而降低，200℃生物炭對(duì)P的吸附量最大為921.11 mg·kg?1。這可能與兩個(gè)方面因素有關(guān)。一是隨著熱解溫度的升高，生物炭表面含氧官能團(tuán)減少，B6CA含量增加，從而使P在生物炭上的吸附量降低。二是松木生物炭Zeta電位范圍為?22.93～?14.47 mV（圖4），體系pH值范圍為5.00～8.00，P的主要形態(tài)為H2PO?4，使得生物炭表面與P形成靜電排斥而減少其對(duì)P的吸附。

煙稈生物炭對(duì)P的吸附量高于松木生物炭，這與生物炭中B6CA含量有關(guān)。煙稈生物炭中B6CA含量明顯低于松木生物炭（圖1），從而使得煙稈生物炭芳香化程度低于松木生物炭，進(jìn)而使煙稈生物炭對(duì)P的吸附高于松木生物炭。

生物炭對(duì)P的吸附量隨著初始濃度的增加而增加，煙稈生物炭對(duì)P的吸附量略大于松木生物炭，這與煙稈生物炭的比表面積高于松木生物炭有關(guān)（表1）。對(duì)煙稈生物炭來說，生物炭對(duì)P的吸附量隨熱解溫度的升高呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，拐點(diǎn)出現(xiàn)在熱解溫度為400℃時(shí)，TBC400對(duì)P的吸附量最大為583.51 mg·kg?1，可能是因?yàn)閺?00℃到600℃，生物炭表面官能團(tuán)減少（圖3），使得600℃生物炭吸附量降低，這與Chang等[5]的研究結(jié)果一致。

此外，松木不能從較低濃度P溶液中吸附P（即較低濃度時(shí)出現(xiàn)負(fù)值），而在較高濃度溶液中發(fā)現(xiàn)少量P吸附（圖5），這可從3個(gè)方面進(jìn)行解釋。其一，松木比表面積較低（5.09 m2·g?1）且Zeta為?14.47 mV，從而導(dǎo)致P的吸附量很低或者沒有吸附；其二，松木本身含有一定的P，且生物炭中的P主要以無機(jī)P形式存在，在吸附過程中，生物炭中的有效P不斷解吸出來[22]，從而增加了溶液中P的濃度；其三，高濃度的P有較低的pH值（圖7），允許P與其他陰離子（如硝酸鹽、硫酸鹽）發(fā)生靜電交換[23]，使得高濃度的P能吸附在生物炭上。

3 結(jié)論

（1）隨著熱解溫度的升高，生物炭的比表面積不斷增大，O和H含量、H/C、O/C和（N+O）/C的比值均逐漸降低，說明生物炭芳香性逐漸增強(qiáng)，極性逐漸降低，含氧官能團(tuán)不斷減少。

（2）BPCA分子標(biāo)志物對(duì)生物炭性質(zhì)研究表明，生物炭的芳香縮合度隨熱解溫度升高不斷增強(qiáng)。煙稈生物炭中B6CA含量明顯低于松木生物炭，使煙稈生物炭芳香化程度低于松木生物炭，進(jìn)而使煙稈生物炭對(duì)P的吸附高于松木生物炭。

（3）Langmuir模型更適合描述煙稈及其制備的生物炭對(duì)P的吸附，而Freundlich模型更適合描述松木生物炭對(duì)P的吸附。從吸附性能上看，生物炭中表面含氧官能團(tuán)的減少和靜電排斥作用降低了生物炭對(duì)P的吸附，而比表面積大使煙稈生物炭的吸附量高于松木生物炭。