生物炭对土壤重金属污染修复的研究

李伟婕，张超

（1.西南林业大学，云南昆明 650224；2.成都理工大学，四川成都 610059）

重金属是指比重等于或大于5.0的金属，但在讨论重金属时一般也将砷纳入其中，因为砷的化学性质和环境行为与重金属相似[1]。根据《全国土壤污染状况调查公报（2014）》显示，我国土壤重金属污染形势严峻，且主要为无机型污染，镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌、镍8种无机污染物点位超标率分别为7.0%、1.6%、2.7%、2.1%、1.5%、1.1%、0.9%、4.8%[2]。土壤重金属通过食物链进入人体，可能会引发骨密度降低、骨折、机体免疫力下降等症状。土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性和长期性的特点，一经形成就难以治理。与传统土壤修复剂相比，生物炭原料广泛、经济高效，是行之有效的修复材料。

1 生物炭概况

1.1 生物炭的特性

生物炭中含量最高的元素是碳，其次是氮、磷、钾、钙、镁等。大多数情况下，生物炭呈碱性，pH在8以上，并且随着制备生物炭的热解温度升高，生物炭的pH值越高。生物炭呈碱性的原因如下：一是生物炭中含有一定灰分[3]；二是生物炭原料的影响。但也存在特殊情况，如袁金华等[4]人以稻壳为原料制备得到的生物炭呈弱酸性。

1.2 生物炭的制备

生物炭的制备原料通常包括粪污、蛋壳、作物秸秆、木屑、稻壳等农业废弃物，工业有机废弃物，城市污泥等。

慢速热解技术是目前制备生物炭最常用的方法。除此之外，生物炭的制备方法还有微波法和水热法。

1.3 生物炭修复机理

因重金属的不同，生物炭的作用机理也有所不同，主要包括离子交换作用、静电作用、物理吸附、络合以及沉淀作用五个方面。

1.3.1 离子交换作用

生物炭具有较高的阳离子交换量，在合适的pH值范围内，其表面失去质子的电荷基团能够与重金属离子发生作用，从而吸附固定一部分重金属离子[5-7]。

1.3.2 静电作用

生物炭表面丰富的含氧官能团和重金属离子有很强的静电吸引作用，生物炭表面大量的负电荷能够吸附土壤中的重金属阳离子，从而修复土壤中的重金属[8]。

1.3.3 物理吸附

生物炭具有较大的比表面积，并且富含孔隙，因此其表面拥有较多容纳重金属的空间位置，这使得生物炭可以通过表面吸附作用，吸附固定重金属，从而降低重金属的可迁移性和生物有效性[9]。

1.3.4 络合作用

生物炭表面分布着大量有机官能团，这些特定配位体官能团能够与重金属离子发生配位络合形成金属络合物，从而降低重金属的迁移性及其毒害作用[10]。

1.3.5 沉淀作用

化学沉淀作用的实质是通过改变土壤pH进而影响重金属形态的变化。生物炭中含有显碱性物质和金属阳离子，可促进碱离子的交换反应形成氢氧化物沉淀、碳酸盐沉淀、磷酸盐沉淀，从而中和土壤酸度，使土壤pH升高，而pH是影响土壤中重金属生物有效性的重要因素，进而降低重金属的生物有效性。

2 修复土壤重金属污染的影响因素

2.1 制备生物炭的原材料不同

生物炭是一种十分复杂的碳类物质，不同原材料在相同条件下制成的生物炭的理化性质具有一定的差异，而生物炭理化性质的差异往往影响着其对不同重金属的吸附效果和对土壤的修复能力。

Liu等[11]在利用生物炭去除水体中重金属Pb的研究过程中发现，随原材料的不同，生物炭对水体中Pb的去除率也会有所不同——以森木为原材料制得的生物炭的吸附量约为以稻壳为原材料制得的生物炭的2倍。

2.2 生物炭制取过程中热解温度不同

热解温度会显著影响生物炭的产率、元素含量、灰分含量、pH、表面官能团种类和数量、孔隙结构等理化性质[12-14]。大多数情况下，随着热解温度的升高，生物炭对重金属污染土壤的修复效果也显著提升。Uchimiya等[15]在土壤性质对改性生物炭固定重金属的影响研究中发现，以棉籽壳为原材料制得的生物炭，随着制备过程中热解温度的不同，其对重金属的固定效果也有明显差异。

2.3 土壤的理化性质不同

含水量、pH、有机质等土体理化性质在生物炭修复过程中也起到一定的作用。土壤理化性质不同，施加于土壤中的生物炭及其表面重金属的可迁移性也会有所差异。Uchimiya等[15]研究发现，生活垃圾制备的生物炭施加于不同性质的土壤中，会产生不同的效果。当土壤呈酸性时，生物炭吸附铜的效果要优于在碱性土壤中的效果。

3 研究现状

3.1 国内研究现状

现今国内的研究以不同原料和不同热解温度制备生物炭对土壤重金属污染修复的效果不同为主。周金波等[16]发现利用水稻秸秆、竹子制备的生物炭均能有效吸附土壤中镉。由于水稻秸秆生物炭中含有大量的有机物、氮、氧、硫以及碳酸盐等养分，能够增加土壤中有机质的含量，所以投加水稻秸秆生物炭后，土壤中的镉被钝化，青菜的产量也增加了11.1%；竹子生物炭投加量为5%时，土壤中镉含量能够降低16.41%。Xue等[17]利用花生壳、玉米棒棉花秸秆以及小龙虾壳分别在300 ℃、450 ℃、600 ℃下制备生物炭，然后利用Na2S改性。镍的吸附效果随着pH和温度的升高而逐渐增强。但当有铅、镉、铜和锌等共存重金属离子时，生物炭对镍的吸附明显降低。

3.2 国外研究现状

现今国外的研究以不同原料制备生物炭和不同投入量对土壤重金属污染修复的效果不同为主。Meier等[18]在鸡粪生物炭和燕麦壳生物炭对土壤铜污染的修复研究过程中，发现两种生物炭均能将铜由可交换态转化为有机结合态和残渣态，从而起到钝化作用。Sepehr等[19]利用葡萄枝制备的生物炭在进行重金属钝化研究时，发现加入生物炭之后，能够有效降低Cd、Pb、Cu和Zn的可移动性。

4 展望

目前，国内外对生物炭的研究虽还处于起步阶段，但已经相继开展了大量利用废弃生物质制备生物炭并修复重金属污染土壤的研究。但是，不同的原材料和制备方式制备的生物炭存在差异，缺乏不同类别生物炭的相关标准。并且，目前生物炭修复重金属污染土壤处于实验室研究阶段，长期的田间实验较少。在户外田间开展长期试验，研究生物炭随着时间的推移在土壤中的迁移、衰减规律应该成为未来研究的重点。