生物炭负载纳米零价铁对镉污染土壤的修复效果研究_朱运龙.pdf

文章编号：1673-887X(2023)05-0097-02生物炭负载纳米零价铁对镉污染土壤的修复效果研究朱运龙，施晓雨，吴易芸，钱万月，王瑜，徐轶群，薛文静（扬州大学 环境科学与工程学院，江苏扬州225009）摘要本研究制备了生物炭负载纳米零价铁（nZVI/BC）复合材料，通过有效态镉（Cd）质量浓度、浸出毒性以及土壤理化性质等指标评价了nZVI/BC对土壤中Cd的修复效果。结果表明：与对照组相比，15 d修复后，nZVI/BC处理组中有效态Cd质量浓度降低了86.18%，Cd的浸出质量浓度由0.105 mg/L降低至0.038 mg/L，有效降低了Cd的溶出和环境风险。关键词镉污染；土壤；纳米零价铁；生物炭；稳定机制中图分类号TE991.3文献标志码Adoi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.05.036Study on the Remediation Effect of Biochar Supported Nanoscale Zero-valent Ironon Cadmium-contaminated SoilZhu Yunlong,Shi Xiaoyu,Wu Yiyun,Qian Wanyue,Wang Yu,Xu Yiqun,Xue Wenjing(College of Environmental Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 552009,Jiangsu,China)AbstractAbstract：Biochar-supported nano zero-valent iron(nZVI/BC)composites were prepared.The remediation effect of nZVI/BC onheavy metal Cd in soil was evaluated by the mass concentration of available cadmium,leaching toxicity and soil physical and chemical properties.Results showed that compared with the control group,after 15 days of remediation,the mass concentration of available cadmium in nZVI/BC treatment group decreased by 86.18%;the leaching mass concentration of cadmium decreased from 0.105mg/L to 0.038 mg/L,and effectively reduces the dissolution of cadmium and environmental risks.Key words：cadmium pollution,soil,nanoscale zero-valent iron,biochar,stabilization mechanism随着经济的快速发展，我国土壤重金属污染日益严重，且重金属镉（Cd）污染占比最高，对生态安全和人类健康造成巨大威胁，针对土壤重金属Cd污染的治理迫在眉睫。固定修复技术在土壤重金属修复方面呈现出较大潜力。目前，纳米零价铁（nZVI）凭借其粒径小、比表面积大、吸附还原活性强等特性1，已被广泛应用于土壤及底泥重金属的固定修复。但其在实际应用中存在易团聚、不稳定、易被氧化等问题，修复效率较低。生物炭（BC）对重金属具有强烈的吸附性和固定能力，可用于水体和土壤重金属污染的治理修复2。因此，构建 nZVI/BC 复合材料预计能减少团聚、增强 nZVI的稳定性，发挥出两者的优势，实现重金属的有效稳定。本研究通过制备nZVI/BC材料，考察其对土壤重金属Cd的修复效果，结合土壤理化性质变化，剖析材料对Cd的稳定机制，以期为土壤重金属污染的治理提供技术储备和科学依据。1材料与方法1.1材料制备与土壤样品采集nZVI和BC/nZVI采用了液相还原法制备，BC经过高温热解制备3。采集江西省宜春市丰城市表层土（020 cm）。先去除杂质的土壤中添加氯化镉（CdCl2）溶液，并在室温下陈化60 d，使土壤Cd含量达到5.0 mg/kg1的污染水平。1.2实验设置实验共设置4组：对照组、nZVI、BC、nZVI/BC。对照组，不添加材料。其余各组材料添加量为土壤质量的5%，每组设3个平行样。称取土壤样品及材料于50 mL离心管，以水土比（V/W）5 1的比例加入超纯水，混合均匀后放入培养箱于24静置培养。分别在第1 d、5 d、10 d、15 d取样测定土壤Cd有效态含量、浸出毒性及pH值。pH值采用便携式pH值计测定，有效态Cd含量采用DTPA浸提法测定4，Cd的浸出毒性采用醋酸缓冲溶液法测定5。1.3数据统计分析方法数据分析采用Excel软件，用Origin软件制图。2结果与分析2.1材料表征图1（a）可以观察到nZVI颗粒在BC表面均匀分散，部分链状结构断开，变成单个的小球体。这说明BC的负载有效降低了nZVI的聚集程度。图1（b）可以看出nZVI颗粒被固定在BC表面，同时nZVI的聚集程度大大减小。2.2nZVI/BC对有效态Cd含量及浸出毒性的影响由图2（a）可知，各处理组中有效态Cd质量浓度均呈现逐渐降低的趋势。15 d后，nZVI、BC和nZVI/BC处理组中有收稿日期2023-01-31基金项目国家自然科学基金项目（42107415）；江苏省自然科学基金项目（BK20210830）；江苏省高校大学生创新创业训练计划项目(202211117123Y)。作者简介朱运龙（2002-），男，湖北人，本科在读，研究方向：环境功能纳米材料的优化制备与应用。通讯作者薛文静，E-mail：。理论研究第5期（总第401期）97效态 Cd 质量浓度与对照组（2.17 mg/kg）相比，分别降低了80.64%、26.27%和 86.18%。由图 2（b）可知，各处理组中 Cd的浸出质量浓度均呈现逐渐降低的趋势。15 d后，nZVI、BC和nZVI/BC处理组中Cd的浸出质量浓度较对照组（0.105 mg/L）分别降低了0.046 mg/L、0.018 mg/L和0.067 mg/L。各材料对Cd的固定效率分别为43.55%、16.62%和63.42%。以上结果表明，nZVI、BC和nZVI/BC材料均能有效降低土壤有效态Cd质量浓度以及Cd的浸出质量浓度，其中nZVI/BC表现出明显优势，对Cd具有较好的固定效果，有效降低了土壤中Cd的浸出性能和环境风险。图1nZVI/BC的扫描电镜图(a)和透射电镜图(b)Fig.1 Scanning electron microscopy(a)and transmission electron microscopy(b)of nZVI/BC2.52.01.51.00.50.0151015时间 d有效态Cd质量浓度 mg/kg对照组nZVIBCnZVI/BC（a）0.140.120.100.080.060.040.020.00151015时间 d浸出质量浓度 mg/L对照组nZVIBCnZVI/BC（b）图2修复过程中土壤有效态Cd质量浓度和浸出质量浓度Fig.2 Mass concentration of available Cd and leaching mass concentrationin soil during restoration2.3nZVI/BC对土壤理化性质的影响从图 3可以观察到，对照组的 pH值基本保持在 6.40左右。经过15 d修复后，nZVI、BC和nZVI/BC处理组的pH值由最初的6.39分别上升到7.25、7.00和7.44。其中，施用nZVI/BC材料提高土壤样品pH值的效果更为显著。9876543210151015时间 d对照组nZVIBCnZVI/BCpH图 3修复过程中土壤pH值的变化Fig.3 Changes in soil pH value during restoration3结论（1）材料的表征结果表明，nZVI被固定在BC表面，且负载BC后的nZVI聚集程度减小，分散性更好。（2）nZVI、BC和 nZVI/BC 3种材料的添加均降低了土壤中有效态Cd质量浓度及Cd的浸出质量浓度，其对Cd的固定效率大小为nZVI/BCnZVIBC，表明nZVI/BC材料对Cd污染土壤的修复效果最好，有效降低了Cd的生物有效性和溶出性。（3）nZVI、BC和nZVI/BC的添加均增加了土壤样品的pH值，其中，nZVI/BC处理组中pH增加了1.05，土壤pH值的增加有利于土壤中Cd的固定。对于nZVI来说，nZVI自身发生了氧化反应，即Fe0与H2O和O2反应产生了Fe2+和OH-6，从而能够提高土壤样品的pH值。此外，BC本身具有较为丰富的碳酸盐以及碱性基团，其可以与土壤样品中的酸度发生中和反应7，从而可以提高土壤样品的pH值。nZVI、BC和nZVI/BC材料的施用均能有效提高土壤样品的pH值，土壤pH值的提高可以通过增强土壤颗粒的电负性，大大提高土壤颗粒对Cd的吸附性，从而能够抑制土壤中Cd的迁移能力。综上所述，nZVI/BC复合材料的添加有效降低了土壤中Cd的生物有效性和溶出性，同时nZVI/BC增加了土壤的pH值，土壤pH值的增加促进了Cd的固定。参考文献1于淑君,胡保卫,王祥科.纳米零价铁材料在水体中重金属离子去除领域的应用J.科学观察,2021,16(6):88-89.2孟梅,华玉妹,朱端卫,等.生物炭对重金属污染沉积物的修复效果J.环境化学,2016,35(12):2543-2552.3李皖瑶,曹珊,朱运龙,等.生物炭负载纳米零价铁对湖泊底泥镉污染的修复效果J.环境工程学报,2022,16(7):2188-2197.4徐文斌.有效态与 TCLP 法评价沉积物重金属生态环境风险J.世界有色金属,2020(2):268-269.5张斌.DTPA浸提-电感耦合等离子体质谱法测定土壤中的有效镉、有效铅J.现代盐化工,2021,48(1):11-13.6Cai C Y,Zhao M H,Yu Z,et al.Utilization of nanomaterials forin-situ remediation of heavy metal(loid)contaminated sediments:a reviewJ.Science of the Total Environment,2019,662:205-217.理论研究第5期（总第401期）朱运龙，施晓雨，吴易芸，等：生物炭负载纳米零价铁对镉污染土壤的修复效果研究生物98