秸秆与粉煤灰共热解复合功能材料用于多金属污染土壤原位修复研究

2023-01-22孙御婷刘振刚

环境卫生工程 2022年6期

夏宇，李益，孙御婷，缪巍，刘振刚

（1.中国科学院生态环境研究中心固体废弃物处理与资源化实验室，北京 100085；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国城市建设研究院有限公司，北京 100120；4.中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室，北京 100190；5.北京化工大学生命科学与技术学院，北京100029）

译者：夏宇；审查：缪巍；单位：中国城市建设研究院有限公司

1 研究亮点

*提供了一种简易、高效的共热解复合材料制备方法；

*该复合材料比传统生物炭具有更强的重金属钝化能力，并有效促进了水稻的生长，具有良好的抗重金属毒性和粮食增产效能。

2 背景

秸秆和粉煤灰，作为典型的农业和工业废弃物，在我国的产生量分别可达8×108t/a 和6×108t/a。秸秆的露天焚烧和粉煤灰的填埋处置方式不仅会造成严重的环境污染问题，还忽视了材料的资源化利用价值。近年来，采用热化学技术制得的秸秆源生物炭在土壤修复领域受到广泛关注，但须较高的施加量才能达到良好的修复效果。研究发现，粉煤灰与废弃生物质联用可提高生物质的修复性能，并提供植物生长必需的营养元素，具有增产效能。因此，本研究采用共热解技术制备了秸秆-粉煤灰复合功能材料，分析其对于重金属污染土壤的修复效能，以及揭示其对于重金属的作用机制。

3 研究方法

以玉米秸秆和粉煤灰为原料，通过共热解法制得复合材料。将材料以不同比例加入到重金属污染土壤中，待35 d 修复期结束后测定不同实验组土壤的重金属浸出毒性和化学形态，同时通过植物盆栽实验进一步确定复合材料对于水稻的抗重金属和植物增产效能。采用多种化学分析方法与光谱技术，测定材料的基团结构、晶相结构、物质成分、微观形貌、比表面积、元素组成等本征信息，结合土壤修复实验数据，揭示复合材料对于土壤中重金属的钝化机制。

4 主要研究结果

共热解反应过程中，粉煤灰中的矿物成分与秸秆炭中的碳元素相结合，促进了矿物组分向无定形组分的转变和矿物晶体尺寸的减小，增加了用于与重金属离子结合的活性位点。复合材料添加比例为5%时，土壤中铅、镉的浸出毒性分别降低了67.9%和49.7%，水稻根长、茎长和干质量分别提高了4.0、2.3和2.0 倍，植物组织中铅、镉的积累量分别降低了81%和62.5%。土壤中重金属的钝化机制主要是复合材料通过沉淀/共沉淀、表面络合、阳离子-π 相互作用、阳离子交换作用与重金属形成稳定的重金属-生物炭复合物，从而使重金属从生物可利用的形态迁移转化为更稳定的形态。