生物质炭在土壤污染修复中的应用研究进展

2017-09-04赵秀云文贞张桢超张逸行刘玉真

科技视界 2017年9期

赵秀云+文贞+张桢超+张逸行+刘玉真

【摘要】生物质炭是利用生物质原料在缺氧条件下经过高温裂解生成的一类富含碳、高度芳香化的固体物质。生物质炭由于具有较大的比表面积，丰富的孔隙结构、好的持水性和较强的吸附性，长期以来成为农业科学、土壤学领域研究的热点。本文综述了生物质炭的制备方法，总结了生物质炭在重金属和有机污染土壤中的应用，为生物质炭在环境污染修复尤其是土壤污染修复中的应用提供参考。

【关键词】生物质炭；土壤污染；修复

随着工业化进程的推进，人类活动产生大量污染物[1]，这些污染物通过大气沉降、污水灌溉、固废填埋等途径进入土壤，造成土壤污染[2]。国土资源部2014年发布的全国土壤污染状况调查公报中显示，全国土壤总超标率为16.1%，污染程度以轻微、轻度和中度污染為主，所占点位比例分别是11.2%、2.3%和1.5%[3]。污染物进入土壤后能够改变土壤性质，影响植物生长，并随食物链进入人体，对人体造成危害[4]。在众多的土壤污染治理技术中，原位钝化技术得到了广泛的应用，原位钝化技术中最关键的是寻求一种价格低廉，吸附性能好的钝化剂[5]。利用农村废弃物如秸秆等制备的生物质炭由于孔隙结构丰富，比表面积大，能够吸附土壤中重金属和有机污染物，因此，在修复污染土壤中有一定应用[6]。本文主要综述了生物质炭的方法以及在污染土壤修复中的应用，并对生物质炭发展前景作出展望。

1 生物质炭的制备

生物质炭的制备方法有直接炭化法、气体活化法和水热炭化法。直接炭化法就是将生物质原料清洗烘干后，在缺氧的条件下直接高温裂解炭化，制备生物质炭的方法。王碧钰等[7]以醋糟为原料，在700℃绝氧条件下，制得的醋糟生物质炭比表面积为6.8739m2/g，有较多的微孔结构，吸附性能较好。另有用马弗炉在低温下将麦秆、玉米秆和向日葵杆裂解炭化，生成的生物质炭表面含有大量的官能团，在碱性条件下带负电荷，有利于吸附金属阳离子[8]。气体活化法又称物理活化法，是指生物质原料在高温条件下炭化，再通入二氧化碳、水蒸气等氧化性气体，制备多孔性生物质炭的方法。张磊等[9]以废弃的棉麻、黄麻和棉/亚麻混纺为原料，在600℃的炭化温度和750℃的活化温度下制得的生物质炭比表面积达到703.05m2/g、719.93m2/g和648.25m2/g，且具有丰富中孔结构，对有机物具有较强的吸附能力。水热炭化法是指在高温、高压以及水溶液存在的条件下，将有机原料转化为生物炭的方法，它是一种能显著提高生物质炭性能的预处理工艺。这种方法相比于直接炭化法，生物质炭产率高，比表面积大，对缓解自然资源浪费具有较大的潜力。

2 生物质炭在土壤污染修复中的应用

目前土壤污染主要为有机污染和重金属污染。土壤中有机污染物的来源主要有工业排放、农药滥用和垃圾填埋等，其主要成分是芳香化合物、多氯代有机物、农药和石油等，这些污染物大多难溶且毒性较大。杨小兵等[10]将以小麦秸秆为原料，在不同温度下制备的生物质炭对土壤中对呋喃丹的吸附能力比自然土壤提高20倍。史明等[11]利用秸秆制备的生物质炭，能够提高土壤的阳离子交换量和pH值，影响土壤对多环芳烃的固定作用；同时，生物质炭复杂的孔结构给微生物提供了良好的生长环境，能促进微生物分解多环芳烃，降低其对土壤的危害。重金属进入土壤不仅会改变土壤的结构和功能，抑制植物生长并通过食物链进入人体，危害人类健康。王丹丹等[12]对比300℃和700℃高温条件下制备出生物质炭的吸附性能发现，随着热解温度的升高，生物质炭的孔径不断增大，对土壤中Cd2+的吸附能力增强。严静娜等[13]对比蚕沙在300℃、500℃和700℃温度下裂解得到的生物质炭，对土壤中Cd2+和Pb2+的钝化效果，发现土壤pH值随裂解温度升高而增大，从而影响重金属离子的水解平衡，促使Cd2+和Pb2+通过沉淀作用固定。

3 生物质炭的土壤环境效应

生物质炭主要通过改变土壤团聚体粒径大小，pH，养分循环等，引起的土壤微生物群落结构改变。首先，生物质炭能促进土壤团聚体颗粒的形成。土壤团聚体颗粒越大，土壤中有机质含量越高，有利于微生物生长，并且土壤中微团聚体能很好的钝化Cr6+等重金属离子，降低其对微生物生长的危害。其次，研究中发现，酸性土壤中加入生物质炭后，土壤微生物的含量升高，这主要是因为生物质炭提高土壤pH，改变微生物生长环境。

4 展望

生物质炭在修复污染土壤方面，能够吸附降解土壤中的有机污染物，固化重金属离子，有效的降低土壤污染物的迁移性和生物可利用性；在提高土壤肥力方面，生物质炭能为土壤微生物提供良好的生长环境，增加土壤中的营养元素。但是通过该方法钝化后的污染物仍存留在土壤中，存在潜在危害。目前对生物质炭进入土壤后的化学结构和化学组成变化等方面缺乏数据支持，因此需要进一步探究。

【参考文献】

[1]杨梦瑶，董小林.城市经济发展与工业污染物排放关系的GPI关系[J].环境科学与管理，2013，04（38）：41-46.

[2]宋伟，陈百明，刘琳.中国耕地土壤重金属污染概况[J].水土保持研究，2013，20（2）：293-298.

[3]庄国泰.我国土壤污染现状与防控策略[J].土壤与生态环境安全，2015，04（06）：477-483.

[4]李光超.我国土壤污染现状与修复技术综述[J].农业与技术，2015，35（18）：3-10.

[5]左卫元，仝海娟，史兵方.芒果核壳炭的制备及对水中Cr6+的吸附[J].环境工程学报，2016，10（08）：4134-4140.

[6]许研哲，方战强.生物炭修复土壤重金属的研究进展[J].环境工程，2015，03（35）：156-159.

[7]王碧钰，朱宇恩，李华.醋糟生物炭对水体中Pb（Ⅱ）吸附的影响[J].环境工程，2016，12（2）：6-11.

[8]刘娟丽，曹天鹏，王黎虹.秸秆生物质炭的制备及吸附性能研究[J].工业安全与环保，2016，42（01）：1-7.

[9]张磊，郝露，徐山青.废旧织物制备活性炭对亚甲基蓝的吸附动力学[J].纺织学报，2016，37（12）：76-80.

[10]杨小兵，陶然.黑碳对土壤中农药呋喃丹吸附与解吸行为的影响[J].安全与环境学报，2015，15（5）：306-309.

[11]史明，胡林潮，黄兆琴，等.生物质炭的加入对土壤吸附菲能力以及玉米幼苗对菲吸收量的影响[J].农业环境科学学报，2011，30（5）：912-916.