苯多羧酸分子標志物對生物炭吸附磷行為的表征

張軍，周丹丹*，常兆峰，王薇，李芳芳，劉洋，儲剛，古正剛

（1.昆明理工大學環境科學與工程學院，昆明650500；2.云南省土壤固碳與污染控制重點實驗室，昆明650500；3.昆明理工大學建筑工程學院，昆明650500）

目前磷肥的過量施用加速土壤酸化，降低作物產量，造成水體污染及富營養化，并對生物多樣性及人類健康構成威脅[1]。生物炭（Biochar）是生物質原料在無氧或缺氧的條件下熱解形成的含碳量高的固態物質[2]，因其具有比表面積大、表面官能團豐富、陽離子交換量較大且具有芳香性，能有效吸附重金屬（Cu、Pb、Zn等）、N、P和有機污染物。因此，生物炭特性對其吸附污染物的行為至關重要。生物炭一旦施用于土壤中，并經過物理、化學及生物老化過程后，難以將其從土壤顆粒中分離出來。目前常用于生物炭特性定性或定量表征的方法（如掃描電鏡?能譜、元素分析、核磁共振以及傅里葉紅外光譜等[3]），難以從生物炭?土壤復雜混合體系中描述生物炭特性，成為動態表征生物炭環境效應的障礙。

分子標志物已被廣泛應用于土壤及沉積物中碳行為研究，是有機地球化學研究領域的重要技術手段。其中，苯多羧酸（Benzene polycarboxylic acids，BPCAs）分子標志物已成功用于描述土壤中炭黑的來源和特性[4]，為復雜體系中碳行為的研究提供了重要的技術方法。BPCAs分子標志物主要是通過對研究對象進行氧化處理，破壞濃縮度高的芳香結構而形成單個相對穩定的小芳香結構，如苯三甲酸（Benzene tricarboxylic acid，B3CA）、苯四甲酸（Benzene tetracarboxylic acid，B4CA）、苯五甲酸（Benzene pentacarboxylic acid，B5CA）等。一般認為，羧基取代的量越多，其芳香縮合度越高。B6CA/BPCA值可作為表征生物炭芳香族縮合或芳香性的指標，較高的B6CA/BPCA值通常具有較高的芳香性或縮合度[5]。因此，通過各個BPCAs單體分子的相對含量能夠得到炭黑的性質和來源。這個技術的引入為復雜混合體系中生物炭特性描述提供重要的技術手段，從而有利于動態表征生物炭對污染物的吸附行為。本研究選擇煙稈和松木為原料，在200～600℃下限氧制備生物炭，通過批量吸附實驗，探討了B6CA/BPCA值與生物炭吸附磷行為的聯系。本研究將有助于動態表征生物炭施入土壤后對磷的吸附行為。

1 材料與方法

1.1 生物炭制備

制備生物炭所用的生物質原料：松木采自昆明市周邊木材加工廠，煙稈采自楚雄某煙草種植區。將松木和煙稈于烘箱中60℃烘干，研磨粉碎后過60目篩，置于馬弗爐中，通入氮氣，在不同溫度（200、400、600℃）下熱解4 h制得生物炭。冷卻至室溫后裝入瓶中保存待用，生物炭分別標記為WBC0、WBC200、WBC400、WBC600和TBC0、TBC200、TBC400、TBC600，WBC0和TBC0分別代表松木和煙稈，數字代表相應熱解溫度。

1.2 生物炭表征

稱取0.4 g生物炭放于40 mL瓶中，加入40 mL去離子水，靜置過濾，測定濾液的pH值[3]；采用元素分析儀（Elementar Vario Micro Cube，Germany）測定生物炭中C、N、H、S和O元素的含量，并計算H/C、O/C和（N+O）/C原子個數比；比表面積（BET?N2）采用比表面積分析儀（JW?BK132F）進行表征；傅里葉紅外光譜分析（FTIR）采用溴化鉀壓片法，生物炭樣品與KBr以質量1∶1 000充分研磨混合并壓片，并利用傅里葉紅外光譜儀（Varian 640?IR）進行表征，其掃描區域為4 400～400 cm?1，分辨率4 cm?1，掃描次數為100次；樣品于馬弗爐中800℃加熱4 h[6]測定其灰分含量。利 用Zeta分 級 器（BI?870，Brookhaven Instruments Corporation）測定生物炭Zeta電位[7]。

1.3 生物炭苯多羧酸分子標志物（BPCAs）的測定

根據Brodowski等[8]方法分析生物炭中的BPCAs，取5 mg生物炭放入反應釜中，加10 mL 4 mol·L?1三氟乙酸（TFA）溶液，105℃加熱4 h。隨后取出抽濾并用去離子水反復沖洗，40℃烘干。把濾渣放入反應釜中，加入2 mL 65%的HNO3，170℃加熱8 h，冷卻室后加10 mL去離子水過濾。取2 mL濾液，加入10 mL去離子水和100μL檸檬酸，混合均勻過陽離子交換層析柱（Dowex 50 WX8，200～400目），收集液體冷凍干燥。將處理過的含水樣品冷凍干燥并重新溶解于甲醇中，并加入100μL聯苯?2，2′?二羧酸酯，氮氣吹掃干燥，然后加入100μL無水吡啶和100μL BSTFA+TMCS，烘箱80℃反應2 h，進行衍生化處理。冷卻至室溫后放入冰箱冷藏24 h，進氣相色譜?質譜聯用儀（Agilent，7890A GC equipped with a 5975C quadrupole mass selective detector）測定BPCAs。

1.4 批量吸附實驗

利用KH2PO4在去離子水中配制濃度為50 mg·L?1的P標準儲備溶液（以分子式中P含量計算），其中KH2PO4為優級純。將儲備液用去離子水稀釋成濃度范圍為1～20 mg·L?1P溶液。每個吸附曲線包括8個濃度，每個濃度進行兩個重復實驗。根據預實驗結果，本實驗按照固液比為1∶100（m∶m），稱取40 mg生物炭放入40 mL螺口玻璃樣品瓶中，分別加入40 mL濃度為1～20 mg·L?1的P溶液，于20℃下以120 r·min?1振蕩7 d，懸濁液以2 500 r·min?1離心10 min，過0.45μm微孔濾膜，采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測定P的濃度，通過方程（1）計算在不同初始濃度下，生物炭對P的吸附量。

式中：Qe為吸附平衡時生物炭對P的吸附量，mg·kg?1；C0和Ce分別為初始和吸附平衡時溶液中P的濃度，mg·L?1；V為溶液體積，mL；m為生物炭質量，mg。

1.5 數據分析

借助Excel 2013進行數據處理，使用Langmuir（公式2）和Freundlich（公式3）模型擬合吸附等溫線，并使用SigmaPlot 10.0進行數據擬合，公式如下：

式中：Qe和Qm分別為平衡吸附量和吸附容量，mg·kg?1；Ce為平衡溶液中P的濃度，mg·L?1；KL為Langmuir模型吸附系數，L·kg?1；KF為Freundlich模型吸附系數，（mg·kg?1）·（mg·L?1）?n；n為Freundlich常數。

單點吸附系數（Kd，L·kg?1）可以表征生物炭對P的吸附量大小，Kd值越大，吸附量越大，其公式為：

由于數據點的數量和模型中系數的數量不相同，常用的決定系數R2不能直接進行比較。通過公式（4）將R2轉化為R2adj進行比較[9]：

式中：m為用于擬合的數據點數量；b為方程中系數的數量。

2 結果與討論

2.1 生物質及生物炭的特性

生物質及生物炭的理化性質見表1。因松木中木質素含量高于煙稈[10]，在熱解過程中木質素含量對焦炭產物的貢獻率較高[11]，從而導致松木生物炭產率高于煙稈生物炭產率。隨著熱解溫度的升高，生物炭中C含量增加，而O和H含量降低，這是由于生物質在熱解過程中發生脫水、脫羧基和脫氫等作用，其所含飽和脂肪烴向不飽和脂肪烴和芳香烴轉化而產生[6]。煙稈生物炭的N含量明顯高于松木生物炭，這與煙稈在種植過程中施加大量氮肥使得大量氮素在煙稈中累積[12]所致。生物質和200℃生物炭的H/C均較高（H/C＞1.0），這與生物質和200℃生物炭中含有大量原始有機物，如聚合物?H2、脂肪酸、木質素（芳香核心）和一些纖維素（極性部分）有關[13]。熱解溫度升高，生物炭中H/C和O/C急劇下降，表明高溫使得生物炭炭化程度增加，并使其疏水性[13]及芳香化程度增強[3]。

生物炭比表面積隨熱解溫度升高而增大，熱解溫度在200～400℃時，生物炭比表面積增加比較緩慢，當熱解溫度達到600℃時，比表面積迅速增加。這可能是因為熱解溫度升高至600℃時，生物炭中所含的揮發性有機物迅速增加并隨通入的氮氣排出，使其在生物炭中的殘留量減少，進而促使生物炭孔隙結構發育得更好[14]。另外，熱解溫度低于600℃時，煙稈生物炭比表面積高于松木生物炭。這與該熱解溫度下生物質中半纖維素和纖維素比木質素更容易迅速分解，使得生物炭孔隙結構發育得更好[15]有關。

隨熱解溫度的升高，生物炭中灰分含量和pH值不斷增加，這表明熱解過程中生物質中大部分無機礦物成分不斷積累并保留在生物炭中[14]。

2.2 BPCA分子標記對生物炭屬性的描述

兩類生物炭中BPCAs的含量均隨熱解溫度的增加而增加。如松木原生質中BPCAs含量為21.41 mg·g?1C（WBC0），600℃松木生物炭中BPCAs含量為397.32 mg·g?1（WBC600），增加了近18倍（圖1）。隨著熱解溫度的升高，BPCAs的含量明顯增加，而H/C呈減少趨勢（表1），BPCAs和H/C的變化趨勢均說明生物炭中形成了不飽和碳結構，如芳香環結構[5]。另外，對比兩類生物質及其制備的生物炭發現，松木及其制備的生物炭BPCAs含量＞煙稈及其制備的生物炭，可能原因是松木比煙稈含有更多的木質素成分，而芳香環結構主要由木質素貢獻[3]。

表1 生物炭的物理化學性質Table 1 Physical and chemical properties of biochars

通常用單個BPCA分子標記的貢獻來推斷芳香簇的大小，特別是B6CA的含量[16]。隨著溫度的升高，特別是從400℃到600℃，B6CA的相對含量隨之增加，分別從58.24 mg·kg?1C（TBC400）增加到238.18 mg·kg?1C（TBC600）和從65.40 mg·kg?1C（WBC400）增加到216.34 mg·kg?1C（WBC600）（圖1）。兩類生物炭中B6CA對BPCA的貢獻率隨熱解溫度的升高而增加，如熱解溫度≤400℃制備的生物炭中B6CA含量介于15%～31%，而600℃生物炭中B6CA含量增至54%～62%，600℃生物炭中B6CA對BPCA的貢獻率均高于50%（圖2），這表明生物炭的芳香縮合度隨熱解溫度升高不斷增強[5]，這與元素分析中H/C的結果一致。

2.3 生物炭的FTIR光譜圖

圖3 為生物質及生物炭的FTIR光譜圖。隨著熱解溫度的升高，在3 400 cm?1附近的羥基[6]伸縮振動峰減小，這是因為在炭化過程中，生物質發生脫水和脫羥基作用，使得羥基大量減少，吸收峰明顯變弱[14]。2 975、2 886 cm?1為存在于脂肪族和脂環族化合物中的CH或CH3伸縮的峰，1 051 cm?1處為脂肪族CO伸縮的峰，當熱解溫度≥400℃時，CH伸縮振動峰消失，表明隨著熱解溫度的升高，生物炭中的非極性脂肪族官能團不斷減少。對于TBC0樣品，在1 720 cm?1處發現COOH的CO伸縮峰在隨熱解溫度的升高后消失，在松木生物炭中也發現類似的結果，可能是因為含氧官能團被熱解分裂導致羧基的減少和消失。CO鍵在高熱解溫度（≥600℃）下易被熱解生成氣體或液體產物，所以1 616 cm?1處酮類中的CO鍵于600℃后顯著減少。波數位于1 385 cm?1處的酚羥基的OH伸縮振動，在TBC中表現出隨熱解溫度的升高逐漸減弱，而在松木生物炭中沒有明顯變化。結果表明，隨熱解溫度的升高，含氧官能團等含量呈下降趨勢，熱解溫度升高可能降低官能團活性[17]。

2.4 生物炭的Zeta電位

兩類生物炭的Zeta電位均為負值且隨熱解溫度的升高呈現逐漸下降趨勢（圖4），煙稈生物炭和松木生物炭的Zeta電位分別從?17.63 mV和?14.47 mV降至?43.36 mV和?22.93 mV。生物炭表面的羥基和羧基官能團是其表面帶負電荷的主要因素[18]，熱解溫度升高，羥基和羧基官能團的去質子化增強，生物炭表面負電荷量增加[19]，從而使生物炭的Zeta電位降低。

2.5 生物炭對P的吸附等溫線

由于WBC0前4個濃度點吸附出現負值導致WBC0無法擬合，這可能是WBC0吸附量較低所致。除了WBC0外，利用Freundlich和Langmuir對兩類生物質及其制備的生物炭吸附P的等溫線進行擬合（圖5），其擬合參數見表2。Langmuir對煙稈及其制備的生物炭吸附P的等溫線擬合，其調整后可決系數（Radj2，0.739～0.962）大于Freundlich的（0.748～0.953），說明Langmuir更適合描述煙稈及其制備的生物炭對P的吸附。對松木及其制備的生物炭來說，Freundlich對其吸附P的等溫線擬合，其調整后可決系數（Radj2，0.810～0.976）大于Langmuir的（0.726～0.975），表明Freundlich更適合描述松木生物炭對P的吸附。由表2可以看出，松木200℃生物炭的非線性較弱（n值為0.94），但隨熱解溫度的升高，n值逐漸降低，達到600℃時，n值降低為0.17，顯示出明顯的非線性吸附特征。然而，煙稈生物炭卻表現出相反結果，隨熱解溫度升高，n值逐漸升高，非線性吸附特征逐漸減弱。相關研究認為，n值大小可反映出吸附位點的能量分布，n值越小，吸附位點能量分布范圍越大[20]。通過n值與生物炭性質的關系（圖6）可發現，隨熱解溫度增加，Freundlich模型的非線性因子n值與WBC的B5CA/B6CA及H/C原子比均呈顯著正相關（P＜0.01），而TBC反之。土壤中測得的H/C不僅來源生物炭，還有可能來源于其他有機組分，而BPCA可識別炭黑的來源和性質，生物炭具有與炭黑相似的結構單元。因此，可將BPCA分子標志物法用于生物炭定性和定量分析中[5]。相關性分析表明，如獲得并組合更多數據，則可建立B5CA/B6CA和n值之間的定量關系。

表2 Freundlich模型和Langmuir模型吸附等溫線擬合參數Table 2 Freundlich and Langmuir isotherm fitting results of phosphorus adsorption

通過計算不同濃度P（1、10 mg·L?1）條件下，生物炭對P吸附的吸附系數（Kd，見表2）發現，隨著P濃度的增加，Freundlich中兩類生物炭的Kd值均有所下降，這是因為生物炭對P的吸附為非線性吸附（圖5）。表2顯示了煙稈和松木生物炭對P酸鹽的最大吸附量Qm值，兩類生物炭對磷酸鹽的Qm值差別較大。隨熱解溫度的升高，煙稈生物炭對P的吸附呈現先增大后減小的趨勢，其拐點出現在熱解溫度為400℃時，其Qm=583.51 mg·kg?1。這種現象可以從3個方面進行解釋。其一，隨熱解溫度升高，煙稈生物炭比表面積的增加能夠為P提供更多的吸附位點，從而促進生物炭對P的吸附；其二，當熱解溫度≥400℃時，煙稈生物炭表面含氧官能團下降以及B6CA含量增加，導致生物炭吸附P的位點減少，進而使生物炭對P的吸附量降低。其三，熱解溫度≥400℃時，體系中pH為7.80～9.30，P的主要形態主要為HPO2?4，呈負電性[21]，且Zeta電位為?42.36 mV，從而使生物炭與P之間的靜電斥力大量增加，吸附量降低。

松木生物炭的Qm值隨熱解溫度的升高而降低，200℃生物炭對P的吸附量最大為921.11 mg·kg?1。這可能與兩個方面因素有關。一是隨著熱解溫度的升高，生物炭表面含氧官能團減少，B6CA含量增加，從而使P在生物炭上的吸附量降低。二是松木生物炭Zeta電位范圍為?22.93～?14.47 mV（圖4），體系pH值范圍為5.00～8.00，P的主要形態為H2PO?4，使得生物炭表面與P形成靜電排斥而減少其對P的吸附。

煙稈生物炭對P的吸附量高于松木生物炭，這與生物炭中B6CA含量有關。煙稈生物炭中B6CA含量明顯低于松木生物炭（圖1），從而使得煙稈生物炭芳香化程度低于松木生物炭，進而使煙稈生物炭對P的吸附高于松木生物炭。

生物炭對P的吸附量隨著初始濃度的增加而增加，煙稈生物炭對P的吸附量略大于松木生物炭，這與煙稈生物炭的比表面積高于松木生物炭有關（表1）。對煙稈生物炭來說，生物炭對P的吸附量隨熱解溫度的升高呈現先增加后降低的趨勢，拐點出現在熱解溫度為400℃時，TBC400對P的吸附量最大為583.51 mg·kg?1，可能是因為從400℃到600℃，生物炭表面官能團減少（圖3），使得600℃生物炭吸附量降低，這與Chang等[5]的研究結果一致。

此外，松木不能從較低濃度P溶液中吸附P（即較低濃度時出現負值），而在較高濃度溶液中發現少量P吸附（圖5），這可從3個方面進行解釋。其一，松木比表面積較低（5.09 m2·g?1）且Zeta為?14.47 mV，從而導致P的吸附量很低或者沒有吸附；其二，松木本身含有一定的P，且生物炭中的P主要以無機P形式存在，在吸附過程中，生物炭中的有效P不斷解吸出來[22]，從而增加了溶液中P的濃度；其三，高濃度的P有較低的pH值（圖7），允許P與其他陰離子（如硝酸鹽、硫酸鹽）發生靜電交換[23]，使得高濃度的P能吸附在生物炭上。

3 結論

（1）隨著熱解溫度的升高，生物炭的比表面積不斷增大，O和H含量、H/C、O/C和（N+O）/C的比值均逐漸降低，說明生物炭芳香性逐漸增強，極性逐漸降低，含氧官能團不斷減少。

（2）BPCA分子標志物對生物炭性質研究表明，生物炭的芳香縮合度隨熱解溫度升高不斷增強。煙稈生物炭中B6CA含量明顯低于松木生物炭，使煙稈生物炭芳香化程度低于松木生物炭，進而使煙稈生物炭對P的吸附高于松木生物炭。

（3）Langmuir模型更適合描述煙稈及其制備的生物炭對P的吸附，而Freundlich模型更適合描述松木生物炭對P的吸附。從吸附性能上看，生物炭中表面含氧官能團的減少和靜電排斥作用降低了生物炭對P的吸附，而比表面積大使煙稈生物炭的吸附量高于松木生物炭。