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    生物炭——重金屬污染土壤改良劑

    生物炭基本組成元素有碳、氫、氮、氧等,并以含碳量高為重要特征,其中大多數碳以高度扭曲的芳香環不規則疊層堆積的形式存在生物炭具有疏松多孔的結構,具有較大的比表面積;生物炭還具有芳香族化合物的結構特性,其表面含有含氧、含氮、含硫等多種官能團,具備良好的吸附能。

    生物炭的應用

    作為一種具有極大應用潛力的功能材料,生物炭作為一種新型環境功能材料引起廣泛的關注。在農業應用方面,一般認為,生物炭具有良好的理化性質和養分調節能力,施入土壤后,由于其多孔性結構,可以有效改善土壤理化性質和微生物活性,降低土壤養分的流失,從而提高土壤肥力,促進作物的生長。

    生物炭具有高度芳香化結構,穩定性高,將生物有機質通過熱解方式轉化為高度穩定的生物炭,可以減緩含碳物質的分解,從而減少溫室氣體的排放。有研究發現生物炭在土壤中通過表面吸附溶解性有機碳(DOC),促進包裹著有機質的土壤顆粒的大量形成,從而減緩土壤有機碳的礦化作用,減少CO的排放;另有研究結果表明,相較于等C量的碳素物質,生物炭能夠減少80%CH4排放。

    生物炭具有多孔性,且表面官能團豐富,能夠吸附環境中的有機污染物和重金屬,從而有效地降低污染物的遷移性和生物可利用性,減少污染物的環境風險。生物炭對重金屬吸附容量高,向土壤中添加生物炭可以增加土壤對重金屬的吸附容量。而對有機污染物來說,高溫制備的生物炭一般具有較強的極性,與有機物質的親和能力較強;生物炭能夠提高土壤中微生物的活性,提高對有機污染物的降解能力。

    生物炭對重金屬的作用機理

    生物炭鈍化重金屬的可能機制有離子交換作用、靜電吸附作用、表面沉淀和絡合作用。有研究表明污泥制備的生物炭對Pb的吸附是多種機制共同實現的,其中最為關鍵的是Pb2+與生物炭表面釋放的Ca2+、Mg2+等陽離子發生交換作用,促進生物炭中的腐殖質和礦物氧化物對Pb的共沉淀和內層絡合作用,而Pb2+與表面官能團發生絡合作用、物理吸附以及Pb2+在生物炭顆粒內擴散均起到一定的作用。對于不同重金屬來說,生物炭鈍化其作用機制可能存在差異;不同生物炭在理化性質方面存在差異,其對重金屬鈍化的機制也不盡相同;此外,重金屬污染的土壤本身的性質對生物炭鈍化重金屬的效果也會產生一定的影響。

    生物炭對土壤重金屬有效性的影響

    近年來,對生物炭與土壤中重金屬之間的關系和相互作用的研究不斷深入,通過一系列對生物炭-土壤體系和生物炭-土壤-植物體系的試驗結果表明,生物炭能夠有效地降低土壤中Pb、Zn、Cd、Ni等重金屬的有效性,但是對As則是起到促進釋放的作用。

    但有學者研究認為生物炭不能起到固定土壤重金屬的作用,相反,會活化土壤中的重金屬,促進重金屬釋放。因此在土壤中施用生物炭對重金屬產生的影響和作用機制仍然需要開展深入的研究。

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