生物炭及其复合材料在土壤污染修复中的应用研究进展

人类活动产生的重金属与农药残留的有机污染物在土壤中的积累致使土壤遭受严重污染,引发了一系列生态问题。生物炭及其复合材料因其独特的表面结构使其可通过物理或化学等作用吸附土壤中的污染物,限制其在生态系统中的迁移与传递过程,进而改善土壤理化性质,因此生物炭在土壤污染治理方面的应用研究越来越多地引起关注,但多数研究局限于实验室水平。文章对近年来生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用的相关研究进行了整理,从重金属与有机污染物两个方面切入,阐述了不同生物炭材料在污染土壤中对两类污染物的作用机理;介绍了生物炭的改性和复合方法及其应用优势,同时对生物炭材料在污染土壤修复中的研究重点进行了展望。复合材料可以显著增强生物炭对污染物的吸附性能。从吸附机理上看,生物炭及其复合材料对重金属污染多以静电作用、离子交换作用、表面官能团作用为主;对有机污染物则主要以分配作用、吸附作用、孔隙填充为主,但在实际应用过程中,这些机理往往共同发挥作用,只是贡献程度不同。另外,生物炭及其复合材料也可通过提高土壤质量间接增强土壤对污染物的抗性等。虽然纳米材料能够增强生物炭的性能,但其对土壤中微生物的毒性机理尚不完全清楚。综上所述,生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用能显著降低污染物的毒性,但新型生物炭复合材料的作用机理有待进一步的研究和论证。     

改性生物炭对水体中抗生素的去除研究进展

随着社会经济的不断发展,抗生素造成的水体环境污染问题已不容忽视.利用生物炭去除水体中的抗生素是解决这一问题的有效手段之一.然而,原始生物炭对水体中抗生素等有机污染物的去除存在一定局限性,因此对生物炭进行改性以提升其吸附能力尤为必要.生物炭的吸附性能受生物质类型、碳化条件和改性方法等因素影响较大,导致目前虽然开展了许多相关研究,但结论不一,尤其是在不同改性生物炭对不同抗生素吸附机理的解释方面还不是很清楚,因此有必要对现有研究进行系统地归纳和总结.本文首先对用于抗生素吸附的改性生物炭制备方法及理化性质表征方法进行了介绍,综述了改性生物炭对不同种类抗生素(磺胺类、喹诺酮类、四环素类、大环内酯类、氯霉素类)的吸附效果、吸附机理及其影响因素(如溶液pH值、热解温度、改性材料等),对比分析了生物炭改性前后吸附效果的差异,对目前改性生物炭用于去除水体中抗生素存在的问题进行了分析和总结,在此基础上,对今后该领域的研究和发展方向进行了展望,以期为将来开展相关的研究工作提供一定的参考.     

生物炭理化性质对其反应活性的影响

生物炭作为一种富炭材料,由于其具有固碳、增强土壤肥力、促进植物生长等特性,在固碳减排及土壤改良方面的应用价值受到广泛关注.同时,生物炭具有较大的比表面积和较高的孔隙率,常被作为吸附剂用于污染物的去除.研究发现生物炭在吸附有机污染物的过程中可降解有机污染物,因此生物炭的反应活性成为近年来研究的热点.生物炭的反应活性主要由其制备过程中生成的环境持久性自由基(EPFRs)和自身的氧化还原能力贡献.生物炭的EPFRs活性与官能团种类、过渡金属含量和EPFRs种类有关,其中官能团和过渡金属通过影响EPFRs的生成及稳定从而影响EPFRs的浓度和种类,进而影响EPFRs活性,而EPFRs种类直接影响EPFRs活性.生物炭的氧化还原活性与官能团、芳香性和导电性有关,其中官能团影响氧化还原活性基团(RAMs)的生成,芳香性和导电性影响基质电导(EC_(BC))结构的生成及导电活性,从而影响氧化还原活性.本文总结了生物炭的反应活性机理和影响因素,旨在为生物炭处理有机物污染物等方面的应用提供理论支撑和技术参考.     

腐殖酸负载对萘和1-萘酚在生物炭上吸附动力学的影响

进入环境的生物炭对有机污染物的吸附过程受到普遍共存的溶解性有机质的影响.本研究将两种腐殖酸组分负载在以玉米秸秆为原料、不同炭化温度下(200、400、600℃)制得的生物炭上,考察极性和非极性有机污染物萘和1-萘酚在原始和腐殖酸负载生物炭上的吸附动力学,分别应用拟一级、拟二级和双室一级3种动力学模型对实验数据进行拟合.结果表明,拟二级和双室一级动力学模型均能较好地描述动力学吸附过程.腐殖酸负载对生物炭上萘和1-萘酚的吸附动力学有显著影响,使得平衡吸附量(Q_e)下降,而表观吸附速率提高.致密的芳香碳组分和纳米级孔隙主要对萘和1-萘酚在生物炭上的慢吸附单元起作用,腐殖酸负载降低了生物炭的芳香化程度和孔隙度,慢吸附对总吸附的贡献(f_(slow))降低.生物炭内部有机碳的致密性降低,使得萘和1-萘酚分子容易扩散进入生物炭颗粒内部,加之表面积和孔隙度减少,缩短吸附平衡时间,两种化合物的慢吸附速率常数(k_(slow))均提高.负载腐殖酸后,两种化合物的快吸附速率常数(k_(fast))的变化却不同.腐殖酸负载向生物炭表面引入含氧极性官能团,阻碍萘分子向表面疏水吸附位点扩散,使得萘的k_(fast)下降;而由于1-萘酚是极性有机物,除了疏水作用,其结构中的—OH能通过氢键与生物炭表面相互作用,其k_(fast)反而升高.     

磷酸改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO3)复合材料对双酚A的吸附

本研究选取油菜秸秆为原料,在600℃下热解得到生物炭和磷酸改性生物炭,并用共沉淀法制备3种改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料.采用批量吸附法研究不同pH、吸附时间和不同生物炭/LDHs配比条件下复合材料对双酚A的吸附特性,借助XRD、FTIR和BET等测试手段探究了复合材料吸附双酚A的机制.结果表明,改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料吸附双酚A的吸附平衡时间为4 h,符合准二级动力学方程(R~20.99);复合材料对双酚A的吸附效果稍逊于改性生物炭,改性生物炭在复合材料中所占比重越大,吸附效果越好.当pH值在5.0—9.0范围内变化时,改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料对双酚A的吸附量呈下降趋势,且在pH=9.0时达到最小值.等温吸附模型数据表明,复合材料用Freundlich等温吸附模型效果更好.通过XRD、BET、FTIR测试研究发现,由于LDHs占据了生物炭表面的活性位点,致使生物炭与双酚A之间的相互作用减弱,降低了复合物的吸附能力.本研究结果初步阐释了改性生物炭-LDHs(Mg-Al-NO_3)复合材料吸附双酚A的机理,为生物炭-LDHs复合材料处理水体中有机污染物的应用提供了借鉴和参考.     

滇池底泥制备的生物炭对菲的吸附-解吸

将滇池草海底泥在不同烧制温度下制成生物炭,并用元素分析法表征其元素组成,溴化钾压片法表征其红外光谱,CO2和N2法表征其比表面积、孔体积、孔径．以菲作为模型化合物来研究有机污染物在生物炭上的吸附一解吸行为,以此深入了解生物炭施用中对有机污染物环境行为和风险的影响．结果表明,生物炭随烧制温度升高,芳香性升高、亲水性降低、...     

生物炭的制备温度及酸处理对卡马西平的吸附动力学影响

本研究考察了卡马西平(CBZ)在9种不同条件(裂解温度200、300、500℃,无酸,HCI和HCI-HF)处理的生物炭上的吸附动力学,分别应用拟一级、拟二级和双室一级3种动力学模型对实验数据进行拟合.研究结果表明,双室一级动力学模型对吸附动力学提供了更精确的描述.裂解温度和酸处理对CBZ的吸附动力学有显著影响,具体表现为不同酸洗导致矿物含量发生显著变化,矿物对生物炭吸附CBZ的快室吸附单元起主要作用,生物炭内部的芳香环随生物炭的升高而更加致密,生物炭内部的芳香环结构主要贡献于慢室吸附单元.生物炭的矿物组分一方面屏蔽了有机质上的一些吸附点位,另一方面矿物自身可以有效地吸附污染物,酸洗去矿物对生物炭吸附污染物的表观影响可能取决于两个方面的平衡.     

生物炭尺寸效应对土壤污染修复的差异调控

生物炭是一种富含碳的材料,可以由各种有机废物原料制备,例如木材废料、农业废物和城市污水污泥.生物炭因其碳含量高、阳离子交换容量高、比表面积大、结构稳定等特性而受到越来越多的关注.本文系统地分析和总结了生物炭的原料来源与性质及在污染土壤修复方面的应用.基于生物炭的理化性质差异,重点阐明了生物炭尺寸效应对土壤污染物的作用机理,并对其修复土壤污染物和改善土壤质量进行了深入讨论.此外,在将生物炭实际应用于环境修复时,应更加关注生物炭老化后性能的改变.综上所述,生物炭在环境修复中具有广阔的应用前景,尺寸效应差异调控土壤污染物的作用机理需要更深一步的研究.     

生物炭中溶解性有机质对污染物环境行为的影响

生物炭的广阔应用前景吸引了研究者的广泛关注。生物炭中具有显著流动性的溶解性有机质(Biochar-derived dissolved organic matter,BDOM)作为一种高效的吸附载体,对污染物迁移的影响显著,是了解生物炭环境效应的关键。然而,原料来源及热解温度与BDOM的特性之间的关联性,以及BDOM与污染物相互作用的机制尚未明确。因此,文章通过综述原料及热解温度对BDOM特性的影响,以明确BDOM影响污染物环境行为机制的研究现状。有关研究表明:(1)生物质原料中木质素含量越高,BDOM C含量越高,官能团种类更加丰富,芳香性更强,而产率则越低;(2)随热解温度的升高,BDOM中C含量增加、芳香性增强,而产率及含氧官能团种类降低;(3)BDOM与疏水性有机污染物形成致密的类胶体结构,使疏水性有机污染物的溶解度提高,从而使疏水性有机污染物更容易被降解;(4)BDOM通过增加土壤中溶解性有机质的含量,从而形成新的吸附位点(如羧基官能团),以促进土壤对重金属或有机污染物的固持;(5)BDOM与重金属发生络合或氧化还原作用,影响重金属形态,从而改变土壤中重金属的毒性和生物有效性。该文可为全面评估生物炭在土壤污染修复应用中的功能提供参考。     

生物炭的土壤环境效应及其机制研究

近年来,随着土壤污染的逐渐加重以及食品安全问题的频出,生物炭作为重要的土壤改良剂以及对污染土壤修复表现出的巨大潜力引起人们的广泛关注.本文首先对国内外生物炭的土壤环境效应方面的研究以及成果进行分析总结.生物炭具有疏松多孔的性质以及巨大的表面积和阳离子交换量(CEC),可以改善土壤理化性质,能强烈吸附土壤中的污染物,降低其生物有效性和迁移转化能力;生物炭的碱性对于改良酸性土壤降低土壤中污染物的生物毒性具有很大的潜力;生物炭还可以为微生物提供生长繁殖的场所,有利于微生物对污染物的降解,但同时又可以保护被吸附的有机物免受微生物的降解,对不同的微生物影响不同;生物炭可以对蚯蚓等土壤动物的生存产生影响.在此基础上,依据生物炭的基本理化性质,对其土壤环境效应机制进行了分析.最后,从当前工作中存在的不足对今后的研究重点和方向进行了展望.     

Chemically modified biochar produced from conocarpus waste increases NO<Subscript>3</Subscript> removal from aqueous solutions

Biochar has emerged as a universal sorbent for the removal of contaminants from water and soil. However, its efficiency is lower than that of commercially available sorbents. Engineering biochar by chemical modification may improve its sorption efficiency. In this study, conocarpus green waste was chemically modified with magnesium and iron oxides and then subjected to thermal pyrolysis to produce biochar. These chemically modified biochars were tested for NO₃ removal efficiency from aqueous solutions in batch sorption isothermal and kinetic experiments. The results revealed that MgO-biochar outperformed other biochars with a maximum NO₃ sorption capacity of 45.36 mmol kg^?1 predicted by the Langmuir sorption model. The kinetics data were well described by the Type 1 pseudo-second-order model, indicating chemisorption as the dominating mechanism of NO₃ sorption onto biochars. Greater efficiency of MgO-biochar was related to its high specific surface area (391.8 m² g^?1) and formation of strong ionic complexes with NO₃. At an initial pH of 2, more than 89 % NO₃ removal efficiency was observed for all of the biochars. We conclude that chemical modification can alter the surface chemistry of biochar, thereby leading to enhanced sorption capacity compared with simple biochar.     

富磷污泥生物炭去除水中Pb(Ⅱ)的特性研究

以城市污水厂富磷剩余污泥为研究对象,考察高温热解制备生物炭吸附剂对水中Pb(Ⅱ)的去除效果.研究表明,随着热解温度升高,制备的生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附能力增强;在相同热解温度下,生污泥生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附能力比消化污泥生物炭大.采用700℃热解1 h制备生污泥生物炭以研究对Pb(Ⅱ)吸附的影响因素,结果显示:吸附180 min达到吸附平衡;富磷污泥生物炭对Pb(Ⅱ)的去除率随pH增加而升高;生物炭投加量增加,对Pb(Ⅱ)去除率上升,而单位吸附容量迅速减小.污泥生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附符合准二级反应动力学,Langmuir模型比Freundlich模型能更好地拟合等温吸附线.在pH 5.0、吸附时间3 h、生物炭投加量20 g.L-1条件下,对Pb(Ⅱ)的最大吸附量为34.5 mg.g-1,表明富磷污泥生物炭可以作为一种廉价的吸附剂.     

生物炭对玉米苗期生长、养分吸收及土壤化学性状的影响

采用田间盆栽试验,研究了生物炭（biochar）对玉米（Gramineae）苗期生长（60 d）及土壤化学性质的影响。结果表明,在玉米苗期的前33 d,生物炭（48 t.hm-2）对玉米株高的生长有显著抑制作用,但随着玉米的生长发育,生物炭的抑制作用逐渐消失。收获时（播种后60 d）,生物炭对玉米植株干质量,N、P养分的吸收量没有显著影响;生物炭（12、48 t.hm-2）能显著提高土壤全N、有机碳质量分数,但对土壤全P、有效P、pH值没有显著影响。土壤全N、有机碳质量分数与生物炭用量（0、2.4、12、48 t.hm-2）为显著正相关（n=12,p〈0.01）。     

Enhancing the adsorption function of biochar by mechanochemical graphitization for organic pollutant removal

• Mechanochemical treatment reduced the calcination temperature for biochar synthesis. • Biochar is converted to graphite after mechanochemical treatment. • Biochar was reduced to nanoscale after mechanochemical treatment. Biochar (BC) has been extensively studied as adsorbent for the treatment of water pollution. Despite the distinct advantages, the high calcination temperature and low adsorption capacity of pristine BC limit its practical applications. Most of the former studies focused on the structure and/or surface modification to improve the adsorption capacity of BC. However, the harsh experiment conditions involved in the biochar modification limited the application in industrial level. Herein, we introduced mechanical treatment into BC preparation to reduce the calcination temperature and improve the adsorption capacity simultaneously. The results indicated that the calcination temperature was reduced and the adsorption capacity of the treated BC was improved after mechanochemical treatment. Characterization of the samples disclosed that BCs were graphitized with the particle size reduced to nanoscale after treatment. Adsorption tests indicated that the mechanochemically treated BCs showed much better removal performance of organic contaminants than that of pristine BCs. For instance, among four pristine BCs (BC600, BC700, BC800, and BC900), only BC900 has strong adsorption capacity for MB, while BC600 has low adsorption capacity (1.2 mg/g). By comparison, the adsorption capacity of MB increased greatly to 173.96 mg/g by BC600-500/1 (treated at 500 r/min for 1 hour). To optimize the mechanochemical treatment, the effects of rotation speed and agitation duration were also investigated.     

秸秆生物质炭土地利用的环境效益研究

农田土壤有机碳矿化释放CO2是农业温室气体排放的重要途径,促进土壤碳截获对于减缓全球温室效应具有重要意义。生物质炭具有改良土壤性质、促进土壤团聚体的形成、对土壤微生物生态具有调控作用等特性。因此,生物质炭对增强土壤碳截获能力及减少土壤CO2气体排放可能具有重要作用。采用实验室盆栽的方式,以黑麦草为目标植物,对农业秸秆生物质炭土地利用的环境效益进行了研究。实验结果表明：农业秸秆制生物质炭应用于农田土壤能产生多方面的环境效益。与对照相比,添加1%~4%生物质炭处理的土壤活性有机质质量分数均增加了25%以上,土壤呼吸度降低了23%~50%,同时,添加生物质炭对植物的生长也有促进作用。添加4%秸秆炭的处理的黑麦草生物量增加了68%。此外,秸秆生物质炭的添加对土壤中的养分具有较好的持留功能,与比照相比,添加生物质炭处理的土壤淋出液中氮和磷质量浓度显著降低,说明生物质炭能够有效减少水冲刷造成的氮磷流失,降低农业面源污染。     

有机膨润土对苯胺的吸附性能及应用研究

以溴化十六烷基三甲铵为改性剂制备有机膨润土，利用正交实验研究了有机膨润土吸附垃圾渗滤液中极性有机污染物苯胺的性能、条件及改性条件对吸附效果的影响。结果表明，有机改性膨润土对苯胺有很好的吸附效果，实验条件下对苯胺的去除率可达90％以上，绘制了有机膨润土吸附苯胺的吸附等温线，通过与吸附苯酚效果的比较，总结了有机膨润土吸附极性有机污染物的一般规律。     

全氟辛烷磺酸盐(PFOS)对其它有机污染物在沉积物上吸附的影响

采用平衡振荡实验方法,研究了不同浓度的全氟辛烷磺酸盐(PFOS)对两种有机污染物(硝基苯和菲)在沉积物上吸附的影响.结果表明,单组分PFOS在沉积物上是非线性吸附;与其它有机污染物共存时,随着PFOS浓度的升高,硝基苯的吸附量先减少后增加,而菲的吸附量则先增加后减少.PFOS对其它有机污染物吸附的影响规律与有机污染物的...     

包气带不同深度土壤对甲苯和三氯乙烯的吸附研究

采用批实验研究了华北平原地下水中检出率较高的三氯乙烯和甲苯在沿污水河包气带不同深度土壤中的吸附情况。从3个地点分析结果来看,其中有机碳（OC）的质量分数均较低（最高为1.01%）。在河床和近河处土壤对甲苯和三氯乙烯的吸附总体上呈现出浅部土壤吸附性强的特点。在实验浓度范围内,土壤中无机矿物对有机污染物（特别是三氯乙烯）的表面吸附扮演了重要角色。土壤对甲苯的吸附表现出了强烈的非线性,而对三氯乙烯的吸附表现出了良好的线性关系。甲苯的吸附与土壤有机碳质量分数的关系要比三氯乙烯更密切,这说明了吸附作用过程与有机化合物的分子结构、疏水性等方面的性质也有关系。     

Efficacy of woody biomass and biochar for alleviating heavy metal bioavailability in serpentine soil

Crops grown in metal-rich serpentine soils are vulnerable to phytotoxicity. In this study, Gliricidia sepium (Jacq.) biomass and woody biochar were examined as amendments on heavy metal immobilization in a serpentine soil. Woody biochar was produced by slow pyrolysis of Gliricidia sepium (Jacq.) biomass at 300 and 500 °C. A pot experiment was conducted for 6 weeks with tomato (Lycopersicon esculentum L.) at biochar application rates of 0, 22, 55 and 110 t ha^?1. The CaCl₂ and sequential extractions were adopted to assess metal bioavailability and fractionation. Six weeks after germination, plants cultivated on the control could not survive, while all the plants were grown normally on the soils amended with biochars. The most effective treatment for metal immobilization was BC500-110 as indicated by the immobilization efficiencies for Ni, Mn and Cr that were 68, 92 and 42 %, respectively, compared to the control. Biochar produced at 500 °C and at high application rates immobilized heavy metals significantly. Improvements in plant growth in biochar-amended soil were related to decreasing in metal toxicity as a consequence of metal immobilization through strong sorption due to high surface area and functional groups.     

Metal immobilization by sludge-derived biochar: roles of mineral oxides and carbonized organic compartment

Pyrolyzing sludge into biochar is a potentially promising recycling/disposal solution for municipal wastewater sludge, and the sludge-derived biochar (SDBC) presents an excellent sorbent for metal immobilization. As SDBC is composed of both mineral oxides and carbonized organic compartment, this study therefore compared the sorption behaviour of Pb and Zn on SDBC to those of individual and mixture of activated carbon (AC) and amorphous aluminium oxide (Al₂O₃). Batch experiments were conducted at 25 and 45 °C, and the metal-loaded sorbents were artificially aged in the atmosphere for 1–60 days followed by additional sorption experiments. The Pb sorption was generally higher than Zn sorption, and the co-presence of Pb reduced Zn sorption on each studied sorbent. Higher sorption capacities were observed at 45 °C than 25 °C for SDBC and AC, while the opposite was shown for Al₂O₃, indicating the significance of temperature-dependent diffusion processes in SDBC and AC. Nevertheless, metal sorption was more selective on Al₂O₃ that showed a greater affinity towards Pb over Zn under competition, correlating with the reducible fraction of sequential extraction. Furthermore, significant amounts of Pb and Zn were additionally sorbed on SDBC following 30-day ageing. The X-ray diffraction revealed the formation of metal-phosphate precipitates, while the X-ray photoelectron spectroscopy showed a larger quantity of metal–oxygen bonding after 30-day ageing of metal-loaded SDBC. The results may imply favourable long-term transformation and additional sorption capacity of SDBC. In conclusion, SDBC resembles the sorption characteristics of both organic and mineral sorbents in different aspects, presenting an appropriate material for metal immobilization during soil amendment.