生物炭的制备及其修复土壤重金属污染的研究进展_张萌.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 4 期 196 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 4 月 生物炭的制备及其修复土壤 重金属污染的研究进展生物炭的制备及其修复土壤 重金属污染的研究进展1111 张 萌，冯 丹，钱大益（伊犁师范大学化学与环境科学学院 污染物化学与环境治理重点实验室，新疆 伊宁 835000）摘 要：摘 要：综述了制备方法、生物炭修复土壤重金属污染的应用研究以及修复重金属污染的机理研究，以期为生物炭在土壤修复中的应用提供科学的理论依据。关键词：关键词：生物炭；修复土壤；重金属污染 基金项目：基金项目：伊犁师范大学校级项目（No:2021YSYB085）；2020 年自治区级大创项目（S202010764002）；新疆自治区基金项目(No:2022D01C333)目前，我国区域农业环境恶化与农产品受重金属污染严重影响，导致年均粮食有约 1107t 的减产比例。统计数据显示，在每年生产的粮食中，重金属超标的粮食约有1.2107t。当前每年进行重金属污染土壤修复的概率在 3%以下1，说明我国当前在土壤污染的防治上会有较大的压力，要重视土壤重金属污染的科学治理。生物炭是在低温、缺氧环境下通过热分解获取的高碳固体残渣2。早在 1963 年，ZHANG 等3在研究过程中了解生物炭能有效吸附土壤中的重金属，这也印证了生物炭在土壤修复方面具有突出的应用价值。基于既有的研究可知，生物炭的阳离子吸附作用使土壤中重金属的迁移率降低，在土壤中施加生物炭也可有效改善土壤肥力。不同的生物炭性质以及土壤的理化性质不同，既有的利用生物炭进行土壤修复研究上还有不同的研究结果，这吸引了不少学者深入研究生物炭应用于土壤重金属污染修复的问题。本文在国内外学者研究的基础上，综述了生物炭的制备方法、生物炭修复土壤重金属污染的应用研究以及修复重金属污染的机理研究，为当前进行生物炭修复土壤重金属污染的应用研究提供参考。1 生物炭的制备方法 1 生物炭的制备方法 1.1 慢速热解 慢速热解法或称为传统炭化法，是通过较低加热速率对生物质进行加热，使生物质在长时间的热解作用下能够实现生物炭的制备4。陈莉等5采取 5K/min 的升温速率热解稻秆制备生物炭，同时研究了针对不同原料反应温度在进行生物炭制备过程中对其性质的影响。1.2 快速炭化法 通过设定 103104K/s 的加热速率使生物质能够有较高热解温度，实现生物炭的制备6。相较于慢速热解法，采取快速热解有更高的生物油以及挥发性物质产率。郭少鹏7在进行生物炭制备上，设定的反应温度是 673823K，分析了不同热解温度对最终合成生物炭理化性质的影响。结果表明，由于反应温度的不断提升，会导致产物会有更高的含碳量，同时生物炭会有更低的 pH 值，酸性也得以增强。1.3 气化法 通过合理控制氧化剂的含量，在超 973K 的高温条件下促使生物质通过反应实现到生物炭的转换，同时在产出物中还有较多 H2、CO2、CH4气体的存在。郭少鹏7在进行生物炭制备上，设定反应温度分别是在 1003 和 1033K，生物质是柳枝稷和玉米秆，反应通过鼓泡流化床反应器完成，载气使用的是空气以及氮气混合体。1.4 水热炭化法 作为一种热化学转化技术，水热炭化在反应上，主要有两部分，分别是预处理与炭化等8。采取该技术进行生物炭制备会有较低的生物炭灰分含量，而且其有很好的亲水表现，获取的生物炭有丰富的表面含氧、氮官能团存在。对于该技术的应用而言，其强调必须是立足高温高压环境出发，实现水热反应。在反应实现上，会有水解、脱水缩合、芳构化以及聚合反应的存在。1.5 烘焙炭化 烘焙炭化也叫作微波热裂解，即在实现常规热解的基础上，还要在其中融入微波加热技术，通过微波的辐射确保在短时间内就能够实现生物质裂解目标，并促使生物质在裂解后获取到有机蒸汽和低分子，实现生物炭以及液态油的制备。在反应实现上，一般要求必须是无氧或是限氧环境。通过反应能够获取到蒸汽，且蒸汽通过快速冷区，可以确保液体产率最大。通过这种方式进行生物炭制备可以确保实现均匀的加热，能够轻松进行反应过程控制。2 生物炭修复土壤重金属的机理 2 生物炭修复土壤重金属的机理 2.1 离子交换作用 生物炭的阳离子交换量较为突出，若是 pH 值范围合理，那么会导致生物炭表面失去质子的电荷基团和重金属离子产生化学作用，有效实现重金属离子的吸附。王红等研究认为，随着生物炭添加量的增加，水葫芦炭对土壤中 Zn 和 Pb的吸附率逐渐增大，但单位吸附量却逐渐减小，当水葫芦炭添加量为 10%时，其对土壤中 Pb 的吸附率可达 93.93%，结DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.04.028 张 萌：生物炭的制备及其修复土壤重金属污染的研究进展 197 合生物炭的理化结构和土壤重金属吸附实验的结果，推测离子交换是水葫芦炭修复重金属污染土壤的主要作用机制。2.2 静电作用 生物炭表面有较多的含氧官能团，能够通过静电吸附作用的发挥实现对重金属离子的吸附。生物炭表面通常会有较多的负电荷存在，可以实现对土壤中重金属阳离子的有效吸附，实现对土壤污染修复。研究表明，土壤中的生物炭对重金属的静电作用是生物炭表面带正电荷的官能团对带负电荷的六价铬基团（CrO72-）具有最大吸附效应，对污泥中砷和铬的去除率分别为 53%和 89%。2.3 物理吸附 生物炭比表面积大，有较多孔隙存在，可以较好吸附重金属离子，使重金属的可迁移性和生物有效性降低。山核桃生物炭经过活化剂高锰酸钾处理后，能够促进生物炭表面吸附的形成，对铅、铜和镉有良好的吸附效果，最大吸附量分别为 153.1mg/g、34.2mg/g、28.1mg/g。2.4 络合作用 生物炭表面的有机官能团较多，其可以与重金属离子发生配位络合形成金属络合物，使重金属的迁移性及其毒害作用下降，有解吸试验表明：被保水剂、凹凸棒、硅藻土、生物炭吸附的铅、镉、铜离子与材料的结合方式主要是通过螯合作用和络合作用，而通过离子交换方式吸附的量很少。2.5 沉淀作用 化学沉淀的本质在于实现土壤 pH 的改变，基于此促使土壤中的重金属形态也会发生相应的改变。在生物炭中会有较多显碱性物质和金属阳离子发生化学沉淀，增加土壤的pH 值，导致重金属的生物有效性下降。Cao 等研究发现添加矿物相能够促进重金属共沉淀吸附基团的形成。矿物质存在于溶液中，与重金属离子相互作用，形成共沉淀物质如磷氯铅矿Pb5(PO4)3Cl。3 生物炭对重金属污染土壤修复中的作用 3 生物炭对重金属污染土壤修复中的作用 3.1 生物炭对土壤理化性质的影响 不同区域的土壤有不同的理化性质，在施加生物炭后土壤中重金属迁移率也会存在差异。Laird 等研究表明，同空白土壤相比，施用生物炭显著降低土壤的容重，增大土壤孔隙度，提高对重金属的吸附。在粉砂土壤上施用 25g/kg 的生物炭，土壤容重从 1.52g/cm3降低到 1.33g/cm3。若是使用生活垃圾制备生物炭，添加到不同性质的土壤中会有不同效果。若是土壤为酸性，此时生物炭对 Cu 表现出优异的吸附性能。生物炭孔隙分布、连接性、颗粒大小和颗粒的机械强度以及在土壤中移动等会对其产生较大的影响。将生物炭应用到土壤中，使得土壤有更大的孔隙度，从而改善土壤吸附能力，改善其生物群落结构。3.2 生物炭对土壤微生物和酶活性的影响 土壤酶活性是土壤微生物过程的反映，酶活性越高土壤微生物过程越活跃。施用生物炭会影响土壤酶活性，研究发现施用生物炭会显著提高土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶等土壤酶活性，且随着生物炭的施用量增加而显著升高。由于施用生物炭后降低了土壤重金属活性，提高了土壤有机质含量，其多孔结构能成为土壤微生物良好栖息环境，促进微生物的繁殖发育，进而产生了更多的胞外酶，进而修复土壤重金属污染。3.3 生物炭对重金属污染土壤的修复研究 基于大量的研究分析可知，对于生物炭而言，原料是否有较高的木质素含量会对其制备产量之间产生非线性影响。由于原料中木质素的增加，会导致最终完成制备的生物炭比表面积与之呈现线性增加效果。在进行生物炭的生产上，若是原料使用的是工业废弃物与生物质，那么获取的则是工程生物炭，其会有更出色的生物炭容量，也能更好吸附土壤中重金属，能对 As(V)、Cd(II)、Cr(VI)、硝基苯酚产生出色的催化还原反应。同时有研究表明，采取生物炭能促使土壤中磷含量增加，以 3%P-Mg-DSB 施加处理联合玉米修复的 RAC 风险评估显示此修复处理下 Cd，Cu，Pb，Zn 生物有效性风险水平明显降低。证实了生物炭可以有效修复重金属污染土壤。4 结 论 4 结 论 生物炭可有效修复土壤重金属污染，同时可对土壤理化性质、微生物和酶活性产生影响，进而实现生物炭修复土壤作用。由于生物炭在制备成本较低，性能出色，为此市场前景十分可观。评估生物炭性能的一个关键的指标就是比表面积和功能性。当前已经有较多关于生物炭生产的研究，也给出了一些有较高吸附水平和性能表现的生物炭制备方案，但是结合实践来说，想要实现生物炭的更便捷应用依然还有漫长的道路。为此在后续研究上，应该针对生物炭应用性能的出色发挥展开深入探讨，同时还要针对更多生物炭制备原料的应用价值和意义展开深入的评估和分析。参考文献 参考文献 1 董文菁,欧阳峰.生物炭复合材料在土壤重金属污染修复领域的研究进展J.四川环境,2022,41(01):272-278.2 Duwiejuah A B,Abubakari A H,Quainoo A K,et al.Review of Biochar Properties and Remediation of Metal Pollution of Water and SoilJ.Journal of Health Pollution,2020,10(27).3 ZHANG X K,WANG H L,et al.Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutantsJ.Environmental Science&Pollution Research,2013.4 许田田.酒糟基生物炭制备表征及土壤重金属污染修复研究D.哈尔滨工业大学,2020.5 陈莉,温康鑫,杜智,等.热解条件对秸秆热解特性及生物炭产率的影响J.哈尔滨工业大学学报,2020,52(11):26-32.6 QIU B B,TAO X D,WANG H,et al.Biochar as a low-cost adsorbent for aqueous heavy metal removal:A reviewJ.Journal of Analytical and Applied Pyrolysis,2021,155:105081.7 郭少鹏.生物炭制备及物性特征用于土壤修复的研究进展J.化学世界,2022,63(02):123-128.