生物炭修复土壤重金属的研究进展

生物炭是由废弃生物质在缺氧条件下热解而成的一种含碳丰富的产物。由于具有精细的孔隙结构和独特的表面特性,生物炭对重金属污染物有着良好的吸附能力,从而影响污染物的迁移。从生物炭的基本特性、吸附机理以及对土壤中重金属的修复效果等方面进行综述,最后提出生物炭未来在环境修复方面的研究方向。     

生物炭基肥中重金属、多环芳烃的含量及风险

生物炭基肥虽然能够增加土壤养分、改善土壤结构,但也存在给土壤带来重金属、多环芳烃污染的风险。该研究为探究生物炭基肥的风险性问题,测定了7种不同原料生物炭基肥重金属、多环芳烃(PAHs)的含量并进行风险评价。结果表明：不同原料炭基肥中重金属的浓度差别较大,畜禽粪便类MA-P中重金属浓度最高,达到648 mg/kg。重金属中,Zn的含量最高,As的含量虽然低但由于其高迁移率及高毒性造成高环境风险指数,是炭基肥重金属风险的主要来源。生物炭基肥中的PAHs均以3环为主,低分子量PAHs含量高。总体TEQ值低于先前研究,畜禽粪便类MA-P的TEQ毒性高于其他植物源炭基肥,5环PAHs对于TEQ值贡献最大,只有MA-P中2环PAHs具有贡献量。当生物炭基肥施用量高于7.76 t/hm²,人类暴露于生物炭基肥改良的土壤的终生癌症风险增量值超过10^-6,表明具有低致癌风险。成人污染物致癌风险高于小孩,且ED对于ILCR风险值的影响最大。研究表明,生物炭基肥中的重金属和多环芳烃具有一定的风险,在施用生物炭基肥时应控制施用量,椰壳炭基肥(PL-5)的风险性最低,...     

生物炭及改性生物炭对水环境中重金属的吸附固定作用

生物炭是由植物或动物废弃生物质在完全或部分缺氧条件经裂解炭化产生的一类高度芳香化、抗分解能力极强的碳质固体物质,是一种富含碳元素的有机连续体。生物炭比表面积大、疏松多孔,含有羟基、羧基、羰基等活性官能团,对多种重金属离子具有吸附固定作用,可以用来去除或削减水体中的有毒有害重金属。此外,利用酸、碱、石墨烯等物质对其进行修饰或改性,可提高对重金属的吸附能力。根据当前研究现状,综述了不同生物炭对水溶液中重金属离子的去除作用,并比较了一些生物炭改性前后与重金属的作用效果差异,同时归纳了生物炭与重金属的相互作用机理及其影响因素。在此基础上,展望了生物炭在去除水体环境中有毒有害重金属的研究方向,以期望生物炭得到更好应用。     

矿物改性污泥生物炭对土壤重金属浸出的影响

为研究凹凸棒石-污泥共热解生物炭对重金属污染土壤的淋溶性的影响,该文在350℃下将污泥、污泥和凹凸棒石混合热解制备2种生物炭,将2种不同生物炭施用于重金属污染土壤中进行钝化实验。钝化完成后土壤开展模拟酸雨土柱淋溶实验,研究重金属随着雨水淋溶的迁移规律,评价材料的钝化效果。结果表明：在淋溶过程中,重金属的累积淋失率呈现前期快速增长,后期持续缓慢增长的趋势,Cd、Zn、Cu、Cr、Ni 5种重金属的累计淋失率整体呈现对照>污泥生物炭>凹凸棒石-污泥共热解生物炭的趋势,共热解生物炭处理后,重金属的累积淋失率降低了11.13%～48.02%,各重金属的累积淋失率随时间的动力学方程拟合结果显示,Elovich修正方程与重金属的释放累积过程拟合相关性最好,R²为0.918～0.995,一级动力学方程的拟合相关性最差,说明重金属在土壤中的释放过程主要受到非均质表面的化学吸附影响,生物炭能够对土壤中的重金属起到较好的固定作用,从而降低重金属的淋失迁移性。凹凸棒石与污泥的共热解显示出了优于单一材料的重金属钝化效果。表明凹凸棒石-污泥共热解生物炭是一种潜在的土壤重金属钝化...     

生物炭去除土壤重金属的研究进展

生物炭作为一种新型的吸附材料,具有比表面积大、官能团丰富、稳定性高等特点,施入土壤后可影响重金属在土壤中的迁移性和生物有效性。从生物炭对重金属的吸附机制、生物炭还田应用效果进行了概述,在此基础上分析了生物炭推广应用的限制因素,并从生物炭与土壤的相互作用、生物炭的制备工艺完善等方面进行了展望。生物炭施入土壤后可通过阳离子-π作用、离子交换、络合、共沉淀、氧化还原和静电吸附作用降低重金属有效态含量,减少作物对重金属的累积。但生物炭在实际应用中仍存在作用效果不稳定、价格高昂难以大面积推广应用等问题,未来有必要进一步探明生物炭与土壤互作关系、完善生物炭制备工艺,为生物炭的广泛高效利用提供支撑。     

污泥生物炭去除水中重金属的研究进展

重金属带来的环境风险日益严峻,利用污泥生物炭去除水中重金属污染方面的研究得到了广泛关注。结合当前国内外研究现状,归纳了不同条件下制备的污泥生物炭对水中重金属,如Cd、Pb、Cr、As等的吸附机理,污泥生物炭对大多数重金属的吸附满足物理吸附和化学吸附的多重作用,可通过增加生物炭表面有效基团及有效吸附位点提升吸附性能。同时,总结了影响吸附效率的各种因素,探究了污泥生物炭的再生问题,并对今后污泥生物炭去除水中重金属的研究方向做出了展望。     

生物炭去除土壤重金属研究进展

针对生物炭作为新型土壤改良剂的研究进展,介绍了生物炭制备方法,分析了生物炭与土壤重金属作用机制,探讨了生物炭联用技术.分析认为:原料、热解温度、热解时间等制备条件对生物炭去除重金属效果有不同程度的影响,热解温度影响程度最高,可以通过优化热解温度等条件制备生物炭;生物炭与土壤重金属间有直接和间接两种作用方式,不同生物炭与...     

生物炭成炭调控及固化土壤重金属研究进展

生物炭在固持土壤重金属(HMs)方面具有广阔的应用前景,其修复效果受到理化特性以及土壤环境的影响。因此,探究生物炭的成炭调控与重金属固化能力,对于优化生物炭制备生产过程具有重要的指导意义。总结了不同制备工艺下生物炭的理化特性变化,并梳理了生物炭固化重金属的主要机理以及各种老化因素对生物炭理化特性变化的影响。生物炭主要通过孔隙吸附、阳离子交换、官能团络合以及矿物沉淀等方式来固化土壤中的重金属,其各项机制的吸附贡献占比受到热解温度、原料种类、停留时间、热解气氛等因素的影响。生物炭老化会导致其理化特性变化,如孔道破碎、含氧官能团分解、不稳定碳析出等,而不同的老化因素会对生物炭产生不同的影响。通过探究各老化因素的作用机理以及其对重金属固化的影响,可以从热解成炭的角度提高生物炭稳定性及有效性,从而减少环境因素对生物炭固化重金属效果的影响,实现对生物炭物化特性及土壤修复能力的有序调控。同时,还展望了未来生物炭施用研究方向,旨在为合理评估生物炭有效性以及指导生物炭修复重金属污染土壤提供参考。     

核桃壳生物炭对土壤中镉的钝化修复

通过室内模拟试验,研究了核桃壳生物炭（BC400、BC500、BC600）对人工Cd污染土壤（20 mg/kg）pH、Cd赋存形态分布的影响,并探究可能的修复机理。结果显示:经56 d修复后,与空白对照组相比,10%添加量的核桃壳生物炭BC400、BC500、BC600分别使土壤pH升高了1.07、1.31、1.38,弱酸可提取态Cd含量减少了17.02%、20.20%、24.53%,可还原态Cd含量减少了8.9%、19.1%、38.2%,可氧化态Cd含量增加了44.83%、78.45%、100%,残渣态Cd含量增加了66.03%、71.43%、89.21%。同时,土壤pH与土壤中弱酸可提取态Cd含量呈显著负相关（P<0.01）。综上,核桃壳生物炭能够对Cd污染土壤起到钝化修复作用。     

热解温度对畜禽粪便生物炭重金属特征变化的影响

为了揭示畜禽粪便生物炭中重金属的特征变化,以鸡粪、猪粪渣和牛粪为原料,采用低氧控温法制备生物炭,研究了不同热解温度(350、450、550、650和750℃)的畜禽粪便生物炭产率、重金属(Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和Ni)含量和相应富集系数的变化,以及原料来源、热解温度和重金属特征的相关性.结果表明,随着热解温度的升高,畜禽粪便生物炭产率逐渐下降,各重金属元素含量(Cd除外)逐渐增加,多数重金属富集系数呈降低的趋势,总体上高温热解虽增加了畜禽粪便生物炭的重金属含量,但也利于炭化过程中重金属的挥发迁移.畜禽粪便生物炭中重金属含量与热解温度、原料来源密切相关,其中与热解温度的相关性均显著,各生物炭的重金属富集能力表现为鸡粪猪粪渣牛粪.综合分析发现,热解温度对畜禽粪便生物炭的重金属特征变化有显著影响,选择低重金属含量和低富集系数的畜禽粪便可避免高温制备的生物炭在实际应用中由自身重金属可能带来的二次污染.     

溶磷微生物改性生物炭吸附重金属的机理研究

利用磷溶菌(PSB)对稻壳(RB)和污泥(SB)生物炭进行不同时间的改性,研究了其对水体中Pb2+和Cd2+(1000mg/L)的修复机制.主要通过测定改性生物炭的理化特性和重金属含量,并利用结构方程模型研究了微生物改性生物炭对重金属的吸附机理.结果表明,PSB显著改善生物炭的孔径结构、比表面积BET(增加了12.5％...     

生物质炭对土壤重金属形态转化及其有效性的影响

为了解土壤重金属形态转化及其有效性对生物质炭修复措施的响应,以Cd、Cu、Pb和Zn复合污染水稻土为供试土样,添加不同粒径(1 mm和0.25 mm)和不同施用量(0、1%和5%)的竹炭(BB)、稻草炭(RSB)进行为期1年的恒温((25±1)℃)培养试验后,检测土壤p H、有效磷含量及重金属DTPA有效态含量的变化,并采用BCR连续浸提法分析生物质炭对土壤中重金属元素化学形态再分配的影响.结果表明:稻草炭的施用显著(p0.05)提高了土壤的p H值,且在RSB-5%(0.25 mm)处理下效果最显著;稻草炭的施用显著(p0.05)提高了土壤的有效磷含量,且5%用量比1%用量效果更明显;而竹炭的施用对土壤p H值和有效磷含量均无显著性影响;RSB-5%(0.25 mm)处理对降低土壤中Cd、Cu、Pb和Zn有效态含量的效果最佳,分别减少了34.5%、50.1%、52.5%和52.1%;在细粒径(0.25 mm)稻草炭处理下,酸溶态Cd和Cu向可还原态和可氧化态转化,酸溶态Zn向可还原态转化;在粗粒径(1 mm)竹炭处理下,酸溶态Cu和Zn向可还原态、可氧化态和残渣态转化;酸溶态Pb在稻草炭处理下向可还原态和可氧化态转化,且细粒径比粗粒径效果更佳;竹炭和稻草炭的施用改变了土壤中上述重金属各形态的分配,且5%用量比1%用量效果更明显.     

煤系废物地聚合物稳定/固化重金属离子效果研究

基于传统地聚合物的硅铝质原材料的单一性和局限性限制了地聚合固化技术处置重金属离子的发展,因此,本文研究了煤系废物地聚合物稳定/固化重金属离子的性能.采用活性煤系废物代替常用的低钙粉煤灰、偏高岭土,以碱激发,研究制备了一种新型、高性能无机地聚合物,并对比分析了重金属离子(Co2+、Cr3+、Zn2+、Ni2+)的稳定/固化效果.结果表明,常温(20℃)、相对湿度95%时,煤系废物地聚合物的最佳配比为:煤矸石和粉煤灰的质量比m(G)∶m(CFA)=7∶3、微硅灰质量分数7%,无定形地聚合物凝胶紧密包裹在粉煤灰和煤矸石颗粒周围,固化体表面出现大量鱼鳞片状产物,层层交织,结构体致密.综合固化体抗压强度和浸出毒性的标准,Co2+、Cr3+、Zn2+、Ni2+的理想固化量分别为1.5%、2.5%、2.0%、1.5%,固化效果明显,稳定性良好,长期安全性.     

改性生物炭对弱碱性Cd污染土壤钝化修复效应和土壤环境质量的影响

通过大田示范试验,研究了钙基改性生物炭对弱碱性Cd污染土壤的钝化修复效应及对土壤理化性质、团聚体结构、土壤酶活性和玉米体内Cd累积特征的影响.结果表明,向弱碱性土壤中添加改性生物炭提高了土壤pH值、有效态阳离子交换量和有机质含量.与对照相比,添加钙基改性生物炭后土壤有效态Cd（DTPA-Cd）含量的降幅达到12.0%~30.2%,且Cd赋存形态由活性较高的可交换态和可还原态向更稳定的残渣态转变.改性生物炭的施加明显降低了Cd在植物体内富集的风险,玉米根、茎、叶和籽粒中Cd含量明显受到抑制,3种玉米品种籽粒中Cd含量较对照分别下降了52.65%~72.56%（郑单958）、37.54%~50.80%（蠡玉16）和23.60%~51.20%（三北218）.添加改性生物炭在一定程度上改善了土壤环境质量,土壤过氧化氢酶、脲酶和碱性磷酸酶活性随着改性生物炭施加量的增加呈逐渐升高的趋势.改性生物炭处理下,5~8 mm和2~5 mm粒级团聚体所占比例增加,而≤ 0.25 mm粒级团聚体占比有所下降,团聚体平均几何直径（GMD）和平均质量直径（MWD）分别增加了10.35%~29.34%和13.20%~27.03%,显示土壤团聚体稳定性增加.玉米籽粒中（郑单958）Cd含量与土壤有效态Cd含量呈显著负相关关系（p<0.01）.研究表明,钙基改性生物炭在钝化修复弱碱性Cd污染土壤和改善土壤环境质量方面具有一定的研究前景和可行性.     

老化作用对生物炭钝化白云鄂博矿区碱性土壤中Cd2+的影响

生物炭虽然已经广泛用于酸性和中性土壤重金属污染修复,然而当生物炭应用于碱性土壤中经历不同程度的老化后是否会改变其结构和固定重金属的能力却关注较少.因此,以玉米秸秆为原料制备生物炭,采用冻融和干湿这两种人工加速老化培养和一种短期自然老化方法对生物炭进行老化实验.老化后测定土壤的pH和Cd²⁺的有效态含量、总量和形态,并从土壤中分离生物炭进行表征,探讨老化作用对生物炭钝化矿区碱性土壤中Cd²⁺的影响.结果表明,白云鄂博矿区碱性土壤中添加生物炭处理不具有显著的石灰化效应,冻融和干湿加速老化处理中pH整体呈下降趋势.与对照相比,添加生物炭后Cd²⁺有效态含量降低了19.32%~30.67%,总Cd²⁺含量下降了5.02%~7.18%.老化作用未能显著改变Cd²⁺的形态,但降低了酸可提取态与可还原态的比例,说明生物炭即使经历老化,依然能够长期固定Cd²⁺,这与生物炭老化后含氧官能团和孔隙结构的增加有关.研究可为生物炭在矿区环境中的长期应用提供理论依据.     

土壤重金属污染原位钝化修复及效果评价进展研究

近年来土壤重金属污染越来越严重,各种土壤重金属污染修复技术中,原位钝化修复技术由于成本低、操作简单易行、并且修复效率高,对于中轻度浓度污染土壤的修复具有较好的应用前景,已经成为研究的热点.本文对原位钝化修复的机理机制进行讨论,指出影响钝化修复的因素包括土壤水分、土壤酸碱度、土壤有机质含量和生长的植物类型.结合了最近的研究发现将钝化剂分为无机钝化剂、有机钝化剂、微生物钝化剂和新型钝化剂和生物炭.阐述了修复后的评价方法,就钝化剂技术的局限性和应用前景给出了方向.     

生物炭负载铁前后对复合污染土壤中Cd、Cu、As淋失和形态转化的影响研究

复合污染土壤中Cd、Cu等阳离子重金属与As具有不同的化学性质和迁移转化行为.本研究以负载铁前后的小麦秸秆生物炭作为修复材料,研究酸雨淋溶条件下两者对复合污染土壤中Cd、Cu、As淋失量及赋存形态的影响;通过分析淋滤液pH值、电导率和溶解性有机碳含量等,探讨其可能的作用机制.结果表明,生物炭和负载铁生物炭均显著提高了淋滤液pH值和电导率.溶解性有机碳淋失量在生物炭处理中较对照(CK)处理提高3.4%~15.9%,而在负载铁生物炭处理中则降低27.3%~60.8%.与生物炭不同,负载铁生物炭能够不同程度地降低Cd、Cu和As的淋失,5%施用量下累积淋失量较CK处理分别降低85.7%、19.0%和62.1%.对淋溶后土壤中重金属和As赋存形态进行分析发现,施用生物炭促进了土壤中Cd和Cu由酸提取态向残渣态转化,却使As由无定形及弱结晶铁铝氧化物结合态向专性吸附态转化.负载铁生物炭能够降低土壤中有效态Cd、Cu和As含量,相较于CK处理酸提取态Cd、Cu和非专性吸附态As含量分别减少3.6%~13.4%、7.5%~24.4%和19.0%~58.8%,而可还原态Cd和残渣态Cu、As含量分别增加4.3%~43.3%、2.2%~18.1%和44.9%~53.5%,其中,5%施用量下差异达到显著水平.综合而言,在5%施用量下,生物炭能够降低土壤中有效态Cd、Cu含量,却提高了As的迁移性和有效性;而负载铁生物炭既降低了酸雨淋溶条件下Cd、Cu、As的淋失,还促进了土壤中Cd、Cu、As由有效态向潜在有效态或稳定态转化,是修复重金属和砷复合污染土壤的有效材料.     

生物炭的13C标记方法及对镉、铜的吸附性能探究

生物炭施入土壤后很难分离和检测，因而难以直观研究生物炭在土壤中的环境行为.本文采用稳定同位素标记法制备¹³C标记的生物炭，研究了¹³C标记生物炭的制备方法，以及标记前后生物炭的基本理化性质及其对Cd²⁺和Cu²⁺的吸附效果和吸附机理.结果表明，脉冲标记法可有效提高玉米植株的δ¹³C值，经过550℃限氧热解法制备的¹³C玉米秸秆生物炭（¹³C BC）的δ¹³C值为249.3‰，显著高于土壤（-23.5‰）及未标记的玉米秸秆生物炭（-25.7‰），具有显著的生物炭示踪效果.¹³C标记的生物炭的pH、CEC、比表面积、表面官能团种类及数量等理化性质与未标记生物炭相似，说明脉冲标记法制备的¹³C标记生物炭不改变生物炭的基本理化性质.吸附动力学和吸附热力学实验结果表明，¹³C标记生物炭与未标记生物炭对Cu²⁺、Cd²⁺的吸附均符合准二级动力学方程和Langmuir等温吸附方程，且吸附平衡时间、最大吸附量基本相同，表明¹³C标记生物炭不改变生物炭对Cd²⁺、Cu²⁺的吸附效果和吸附特征.XRD、FT-IR结果表明，¹³C标记生物炭和未标记生物炭具有相同的吸附机理，均为离子交换作用、静电吸附作用和阳离子-π键作用.因此，脉冲标记法制备的¹³C标记生物炭具有与生物炭相同的基本理化性质和对镉、铜的吸附行为，同时具有显著高于土壤背景的δ¹³C值，可为土壤中生物炭迁移、生物炭与重金属相互作用行为的研究提供一条途径.     

施用生物质炭对土壤Cd、Pb有效性影响的整合分析

大量研究表明生物质炭施用可改变重金属在土壤中的生物有效性,但这种影响取决于土壤理化性质、生物质炭的种类与施用量等.本文以公开发表的81篇有关生物质炭与土壤重金属有效性的研究论文为基础进行归纳整理,采用数据整合分析方法,从土壤性质、生物质炭的特性与施用量等方面量化了生物质炭对土壤有效态Cd、Pb的影响.结果显示,与不施用生物质炭处理相比,施用生物质炭对土壤中Cd和Pb均具有显著的钝化效果,其有效态含量平均降低了37.59%和51.37%.其中,生物质炭对不同质地土壤Cd、Pb钝化效果表现为:砂质土壤壤质土壤粘质土壤,且生物质炭施用可使砂质土壤中有效态Cd、Pb平均降低47.18%和57.82%;生物质炭施用对弱酸性土壤Cd、Pb的钝化效果均最佳,弱酸性土壤Cd、Pb有效态含量平均降幅分别为50.05%和58.60%,略高于中性土壤,明显高于碱性土壤.从生物质炭类型看,壳渣类生物质炭施用使土壤有效态Cd、Pb降幅最大,分别为58.44%和71.28%;在500～600℃的温度区间下制备获取的生物质炭可使土壤有效态Cd、Pb显著降低52.23%和60.90%;当生物质炭pH在7～8,土壤中Cd的有效态含量降低了71.93%,当生物质炭pH小于7时,有效态Pb降幅最大为61.88%.另外,土壤Cd、Pb的钝化效果随着生物质炭施用量的增加而提高,当生物质炭施用量大于5%时,Cd、Pb有效态的降幅最大,分别达到54.41%和77.47%.可见,在选择生物质炭来修复重金属污染土壤时,应根据土壤性质来选择适宜的生物质炭种类及其施用量,以达到更好的钝化效果.