生物炭对重金属污染的修复作用研究进展

郭彦秀 吴迪 孙振凯 官少燕

摘要：指出了随着国家对环境保护的重视，重金属污染带来的环境问题也越来越受到广大科研工作者的关注。生物炭作为新兴吸附剂，因其低成本、吸附性能高、孔隙度大且含碳量高成为理想的吸附材料，对水体、大气中的重金属污染具有有效的吸附作用，能减轻环境污染，提升生态质量。从生物炭的具体研究现状进行了论述，并对生物炭修复重金属污染土壤领域的发展进行了展望。

关键词：生物炭;重金属污染;土壤修复

中图分类号：S156.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0072-02

1引言

生物炭是指生物质（玉米秆、种壳、木材等）在无氧或缺氧条件下经过高温裂解，转化成的稳定富碳产物。重金属之所以会对人体、环境造成严重威胁，是因为其污染具有持久性和非生物降解性的特点。毒性很强的重金属，如汞，随着循环系统进入人体各器官，对人体健康造成极大伤害。对土壤、农作物、水体等的危害则是通过生物积聚、生物放大作用等破坏生态环境，使得人类赖以生存的生态环境遭到严重破坏。作为新型吸附剂的生物炭，因为其具有较大的比表面积、高度的生化抗分解性以及独特的多孔结构，而作为吸附重金属、改善环境质量、促进农作物生长、降低生物威胁的良好吸附剂。生物炭对受重金属污染土壤的修复作用尤为显著。

2研究现状

针对重金属的严重破坏性，专家学者也在研究处理重金属的优良办法，传统的处理重金属污染的方法主要有膜分离法、化学沉淀法和电化学法等，但由于每种处理方法在操作上都存在一定的局限性，所以吸附法以其独特的优点得到了广泛的应用。生物炭在处理污染土壤时，作为化学钝化剂，经过一系列吸附、络合、沉淀等反应，使得目标污染物转化成稳定的状态，从而达到降低重金属可迁移性，实现土壤修复。

2.1作用原理

科学界研究生物炭对于重金属的土壤修复效应的成果显示，来源和制备温度不同的生物炭修复受重金属污染的土壤的能力不同，同时，不同类型的重金属对生物炭也有不同的响应，这就使得生物炭对重金属污染的土壤修复效果存在差异。生物炭的研究主要通过两个方面进行：一是探究生物炭协同重金属污染物在土壤中的迁移过程，即生物质的作用原理，二是研究影响生物质在土壤中迁移的因素，例如：离子强度、pH值。研究发现：生物炭的使用，使重金属污染物在土壤的毒性和有害性显著降低，通过表面吸附作用和分配作用将重金属固定在土壤中，这就使得农作物减少了对重金属的吸收，从而降低有害重金属的生物毒性。

2.2研究内容

有学者通过批量吸附实验，研究了生物质、非改性生物炭、改性生物炭对Cd2吸附的机理原理以及pH值、投加量等因素对氨氮吸附的影响。当平衡浓度在40mg/L以内时，吸附量与浓度呈显著正相关，超过此浓度时，吸附量则趋于平衡。通过等温吸附数据的拟合结果知，Langmuir方程反映出：非改性玉米秸秆生物炭对Cd2+的吸附以多层吸附为主，常用于描述物理吸附行为;玉米秸秆生物炭对Cd2+的吸附过程表现为单分子层吸附，主要表现为化学吸附行为。

除此之外，生物炭对土壤的硝化速率、硝酸根的吸附、土壤微生物氮素固定都有一定的影响。生物炭吸附硝酸根的能力受温度影响显著，随着温度的升高，生物炭逐渐发生热裂解，其中的官能团发生改变，呈碱性的官能团转化成为酸性官能团，给硝酸根的吸附提供足够多的阴离子交换位点，促进了硝酸根和生物炭的吸附。生物炭和污染物化学性质的变化都能够促进生物炭对重金属的吸附转化、实现目标污染物的降解。在生物炭与土壤接触的过程中，土壤的理化性质也会受到影响，当土壤中加入少量的生物炭时，土体密度会显著降低，这是生物炭本身的密度小的缘故。此外，生物炭的加入可以改善微生物的生存环境，促进它们的生长和繁殖，调节生物体与土壤之间的相互作用，使得土壤孔隙率间接地发生变化。

3展望

生物炭作为新兴吸附剂，在治理土壤重金属方面得到了广泛的应用，其制备来源也多种多样，由于没有统一的制备标准和检验标准，使得实验数据的处理难以形成统一的规范，因此，生物炭领域的研究还需进行规范、严谨的探索。

废弃农作物是生物炭的主要来源，生物炭与土壤中的重金属发生吸附、转化作用之后可重新回归生态，因此，生物炭的应用和推广应坚持以废弃农作物循环利用为出发点，将治理土壤重金属污染与废弃物回收利用有机的结合起来，实现治理与利用的平衡最大化。

由于生物炭本身能够提高土壤pH值、增强土壤保水能力和降低土壤容重，促进植物生长发育，因此，生物炭的价值不僅局限于修复土壤的重金属污染，可将今后的研究更多地关注于植物生长，实现生物炭的多层次利用。

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