秸稈與粉煤灰共熱解復合功能材料用于多金屬污染土壤原位修復研究

夏 宇，李 益，孫御婷，繆 巍，劉振剛

（1.中國科學院生態環境研究中心固體廢棄物處理與資源化實驗室，北京 100085；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國城市建設研究院有限公司，北京 100120；4.中國科學院過程工程研究所多相復雜系統國家重點實驗室，北京 100190；5.北京化工大學生命科學與技術學院，北京100029）

譯者：夏 宇；審查：繆 巍；單位：中國城市建設研究院有限公司

1 研究亮點

*提供了一種簡易、高效的共熱解復合材料制備方法；

*該復合材料比傳統生物炭具有更強的重金屬鈍化能力，并有效促進了水稻的生長，具有良好的抗重金屬毒性和糧食增產效能。

2 背景

秸稈和粉煤灰，作為典型的農業和工業廢棄物，在我國的產生量分別可達8×108t/a 和6×108t/a。秸稈的露天焚燒和粉煤灰的填埋處置方式不僅會造成嚴重的環境污染問題，還忽視了材料的資源化利用價值。近年來，采用熱化學技術制得的秸稈源生物炭在土壤修復領域受到廣泛關注，但須較高的施加量才能達到良好的修復效果。研究發現，粉煤灰與廢棄生物質聯用可提高生物質的修復性能，并提供植物生長必需的營養元素，具有增產效能。因此，本研究采用共熱解技術制備了秸稈-粉煤灰復合功能材料，分析其對于重金屬污染土壤的修復效能，以及揭示其對于重金屬的作用機制。

3 研究方法

以玉米秸稈和粉煤灰為原料，通過共熱解法制得復合材料。將材料以不同比例加入到重金屬污染土壤中，待35 d 修復期結束后測定不同實驗組土壤的重金屬浸出毒性和化學形態，同時通過植物盆栽實驗進一步確定復合材料對于水稻的抗重金屬和植物增產效能。采用多種化學分析方法與光譜技術，測定材料的基團結構、晶相結構、物質成分、微觀形貌、比表面積、元素組成等本征信息，結合土壤修復實驗數據，揭示復合材料對于土壤中重金屬的鈍化機制。

4 主要研究結果

共熱解反應過程中，粉煤灰中的礦物成分與秸稈炭中的碳元素相結合，促進了礦物組分向無定形組分的轉變和礦物晶體尺寸的減小，增加了用于與重金屬離子結合的活性位點。復合材料添加比例為5%時，土壤中鉛、鎘的浸出毒性分別降低了67.9%和49.7%，水稻根長、莖長和干質量分別提高了4.0、2.3和2.0 倍，植物組織中鉛、鎘的積累量分別降低了81%和62.5%。土壤中重金屬的鈍化機制主要是復合材料通過沉淀/共沉淀、表面絡合、陽離子-π 相互作用、陽離子交換作用與重金屬形成穩定的重金屬-生物炭復合物，從而使重金屬從生物可利用的形態遷移轉化為更穩定的形態。

5 結論與展望

秸稈與粉煤灰的共熱解反應制得的復合材料，可通過表面沉淀、表面配位、陽離子交換和陽離子-π健作用有效鈍化污染土壤中的重金屬，顯著降低其對周邊環境和作物的生態危害影響并促進作物增產，作為潛在的土壤改良和土壤修復材料具有良好的應用前景。