生物質炭在土壤污染修復中的應用研究進展

趙秀云+文貞+張楨超+張逸行+劉玉真

【摘 要】生物質炭是利用生物質原料在缺氧條件下經過高溫裂解生成的一類富含碳、高度芳香化的固體物質。生物質炭由于具有較大的比表面積，豐富的孔隙結構、好的持水性和較強的吸附性，長期以來成為農業科學、土壤學領域研究的熱點。本文綜述了生物質炭的制備方法，總結了生物質炭在重金屬和有機污染土壤中的應用，為生物質炭在環境污染修復尤其是土壤污染修復中的應用提供參考。

【關鍵詞】生物質炭；土壤污染；修復

隨著工業化進程的推進，人類活動產生大量污染物[1]，這些污染物通過大氣沉降、污水灌溉、固廢填埋等途徑進入土壤，造成土壤污染[2]。國土資源部2014年發布的全國土壤污染狀況調查公報中顯示，全國土壤總超標率為16.1%，污染程度以輕微、輕度和中度污染為主，所占點位比例分別是11.2%、2.3%和1.5%[3]。污染物進入土壤后能夠改變土壤性質，影響植物生長，并隨食物鏈進入人體，對人體造成危害[4]。在眾多的土壤污染治理技術中，原位鈍化技術得到了廣泛的應用，原位鈍化技術中最關鍵的是尋求一種價格低廉，吸附性能好的鈍化劑[5]。利用農村廢棄物如秸稈等制備的生物質炭由于孔隙結構豐富，比表面積大，能夠吸附土壤中重金屬和有機污染物，因此，在修復污染土壤中有一定應用[6]。本文主要綜述了生物質炭的方法以及在污染土壤修復中的應用，并對生物質炭發展前景作出展望。

1 生物質炭的制備

生物質炭的制備方法有直接炭化法、氣體活化法和水熱炭化法。直接炭化法就是將生物質原料清洗烘干后，在缺氧的條件下直接高溫裂解炭化，制備生物質炭的方法。王碧鈺等[7]以醋糟為原料，在700℃絕氧條件下，制得的醋糟生物質炭比表面積為6.8739m2/g，有較多的微孔結構，吸附性能較好。另有用馬弗爐在低溫下將麥稈、玉米稈和向日葵桿裂解炭化，生成的生物質炭表面含有大量的官能團，在堿性條件下帶負電荷，有利于吸附金屬陽離子[8]。氣體活化法又稱物理活化法，是指生物質原料在高溫條件下炭化，再通入二氧化碳、水蒸氣等氧化性氣體，制備多孔性生物質炭的方法。張磊等[9]以廢棄的棉麻、黃麻和棉/亞麻混紡為原料，在600℃的炭化溫度和750℃的活化溫度下制得的生物質炭比表面積達到703.05m2/g、719.93m2/g和648.25m2/g，且具有豐富中孔結構，對有機物具有較強的吸附能力。水熱炭化法是指在高溫、高壓以及水溶液存在的條件下，將有機原料轉化為生物炭的方法，它是一種能顯著提高生物質炭性能的預處理工藝。這種方法相比于直接炭化法，生物質炭產率高，比表面積大，對緩解自然資源浪費具有較大的潛力。

2 生物質炭在土壤污染修復中的應用

目前土壤污染主要為有機污染和重金屬污染。土壤中有機污染物的來源主要有工業排放、農藥濫用和垃圾填埋等，其主要成分是芳香化合物、多氯代有機物、農藥和石油等，這些污染物大多難溶且毒性較大。楊小兵等[10]將以小麥秸稈為原料，在不同溫度下制備的生物質炭對土壤中對呋喃丹的吸附能力比自然土壤提高20倍。史明等[11]利用秸稈制備的生物質炭，能夠提高土壤的陽離子交換量和pH值，影響土壤對多環芳烴的固定作用；同時，生物質炭復雜的孔結構給微生物提供了良好的生長環境，能促進微生物分解多環芳烴，降低其對土壤的危害。重金屬進入土壤不僅會改變土壤的結構和功能，抑制植物生長并通過食物鏈進入人體，危害人類健康。王丹丹等[12]對比300℃和700℃高溫條件下制備出生物質炭的吸附性能發現，隨著熱解溫度的升高，生物質炭的孔徑不斷增大，對土壤中Cd2+的吸附能力增強。嚴靜娜等[13]對比蠶沙在300℃、500℃和700℃溫度下裂解得到的生物質炭，對土壤中Cd2+和Pb2+的鈍化效果，發現土壤pH值隨裂解溫度升高而增大，從而影響重金屬離子的水解平衡，促使Cd2+和Pb2+通過沉淀作用固定。

3 生物質炭的土壤環境效應

生物質炭主要通過改變土壤團聚體粒徑大小，pH，養分循環等，引起的土壤微生物群落結構改變。首先，生物質炭能促進土壤團聚體顆粒的形成。土壤團聚體顆粒越大，土壤中有機質含量越高，有利于微生物生長，并且土壤中微團聚體能很好的鈍化Cr6+等重金屬離子，降低其對微生物生長的危害。其次，研究中發現，酸性土壤中加入生物質炭后，土壤微生物的含量升高，這主要是因為生物質炭提高土壤pH，改變微生物生長環境。

4 展望

生物質炭在修復污染土壤方面，能夠吸附降解土壤中的有機污染物，固化重金屬離子，有效的降低土壤污染物的遷移性和生物可利用性；在提高土壤肥力方面，生物質炭能為土壤微生物提供良好的生長環境，增加土壤中的營養元素。但是通過該方法鈍化后的污染物仍存留在土壤中，存在潛在危害。目前對生物質炭進入土壤后的化學結構和化學組成變化等方面缺乏數據支持，因此需要進一步探究。

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[責任編輯：張濤]endprint