改性秸稈炭的制備及其修復重金屬污染土壤的研究

李峰森 侯振來 王澤川 吳雙

摘?要：針對目前國內秸稈炭的制備以及修復重金屬污染土壤的問題進行調查研究，為了解決其目前存在的功能性缺陷，提出了改良秸稈碳的新措施，并對這些新技術進行了多次的實驗驗證，在我國在秸稈碳的制備及其修復重金屬污染土壤方面具有一定的參考價值。

關鍵詞：改良秸稈炭;重金屬污染;固定機理;形態轉化

1引言

隨著工業化和城鎮化的快速發展，農業、工業和其他行業排放到土壤中的重金屬元素日益增多，使我國的重金屬污染問題日益突出。生物炭具有難溶、自身穩定性強、比表面積大、表面官能團豐富等性質，因此對于重金屬Pb、Cd、Cu等具有有較好吸附作用[1]。本技術通過對秸稈炭加以改性，使其大幅度地提升對于重金屬的固定能力。這對推動我國重金屬污染土壤的治理工作具有積極的意義，同時對中國農業的發展具有一定的推動作用，符合我國關于可持續發展的戰略要求。

2改良秸稈炭的制備

2.1 傳統秸稈炭的現狀分析

傳統生物炭的生產主要采用的是碳化技術，即采用封閉窯體創造缺氧的環境，利用外部加熱的方式提供生物質碳化最初所需的能量，使生物炭材料在數小時乃至數天的時間內發生緩慢的碳化反應[2]。該方法兼有操作簡便及低成本的特點，至今仍被大量運用于生物炭的制備，尤其在發展中國家及欠發達國家。但目前炭化法具有產炭率低的缺點，因此秸稈炭在制備方法上具有很大的提升空間，需要進一步提高。同時傳統的秸稈炭在重金屬污染土壤治理上呈現出來的低效率，也促進了對秸稈炭的理化性質和結構性質進行進一步的研究。

2.2 傳統秸稈炭的改性

為了彌補上述秸稈炭制備方法的不足之處，以秸稈為原料，通過在不同溫度的無氧條件下熱解制備秸稈炭。隨后在密閉容器中經臭氧氧化處理，對秸稈炭理化性質和結構性質加以改變。通過此方法可以提高秸稈炭的產炭率，對于秸稈炭的理化性質也具有一定的改變。

3秸稈炭對重金屬污染土壤的修復作用

3.1改性秸稈炭對重金屬Cd、Hg、As、Pb、Cr的固定能力和反應機理

為了驗證改性秸稈炭對于重金屬的固定能力，選用水作為介質，研究改性生物炭對Cd、Hg、As、Pb、Cr的吸附等溫過程。實驗結果表明，改性秸稈炭對于重金屬的鈍化具有更好的效果，這可能是臭氧的氧化作用使秸稈炭的結構性質和理化性質更有利于對重金屬的固定。改良秸稈炭的優良性能主要表現在兩個方面：一是降低秸稈炭的極性，O+N）/C 可以用來反映生物炭極性的高低，由于對傳統的秸稈炭的制備技術進行了改良，因此改性秸稈炭中的（O+N）/C 比例大幅度的降低。同樣，降低的（O+N）/C 也說明了生物炭表面官能團的損失，這一點可以從生物炭表面含氧官能團的變化中得到很好的驗證;二是在炭表面的羥基和羧基之間的相互作用下，金屬離子和MOH+進行離子交換，重金屬得以吸附在生物炭表面上。因此改性秸稈炭有效的降低了生物炭的極性、增大了其表面積，從而使改性生物炭在結構性質和理化性質上更有利于對于重金屬的吸附[3]。

3.2改性生物炭中重金屬在土壤中的形態轉化和微觀過程

重金屬在土壤中的形態歸納為可交換態、螯合態、殘渣態三類。可交換態是指沉積物及土壤中的某些成分對金屬的吸附而形成的一種化學形態。螯合態是指螯合物的狀態，包括絡合態、吸附態及碳酸鹽結合態。殘渣態是指一般存在于硅酸鹽、原生和次生礦物等土壤晶格中，是自然地質風化的結果，在自然狀況下不易被釋放出來，能夠長期在土壤中存在，而且不被植物所吸收。研究表明[4]，在相同條件下，與傳統的秸稈炭相比，改性秸稈炭可以使土壤中可交換態的重金屬的含量大幅度減少，螯合態和殘渣態的重金屬的含量大幅度增加，同時改性秸稈炭可以有效地抑制重金屬由可交換態向螯合態和殘渣態的轉變，進一步地提高了改性秸稈炭對于重金屬土壤地修復作用。

4結論

隨著工業化和城鎮化的快速發展，農業、工業和其他行業排放到土壤中的重金屬元素日益增多，使我國的重金屬污染問題日益突出，因此對于重金屬污染土壤的修復工作刻不容緩。與傳統的秸稈炭相比，改性秸稈炭具有較低的極性，較大的表面積等優勢，從而使它能夠對重金屬污染土壤的修復工作具有極大的推動作用。同時，還能夠緩解由于焚燒作物秸稈而引起的霧霾等空氣污染現象，這將帶來重要的經濟和社會效益。

參考文獻

[1]?李永正，毛凌晨，嚴南峽，陶紅，李師佳.鴿糞基生物炭對土壤重金屬形態的影響[J].燃燒科學與技術，2020，26：185～191.

[2]?劉玉玲，朱虎成，彭鷗，李丹陽，楊蕊嘉，彭晶，鐵柏青.玉米秸稈生物炭固化細菌對鉻砷吸附 [J].環境科學，2020，4：1～13.

[3]?羅陽，梁運信.不同秸稈炭的制備及其對鉻污染黃壤中鉻的鈍化效果[J].貴州農業科學，2020，48（2）：29～33.

[4]?王俊楠.生物炭在土壤重金屬修復中的應用[J].科技創新與應用，2019（17）：162～163.

作者簡介：李峰森（1998-），男，漢族，山東省菏澤人，本科在讀，給排水科學與工程專業。

基金項目：吉林省大學生創新創業訓練計劃項目（201910191104）