生物质活性炭在污染土壤修复中的应用及稳定性研究进展
时间：2021-01-30 07:51:44 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘要：指出了生物质活性炭具有较大的比表面积、丰富的孔隙结构、好的持水性和较强的吸附性，在土壤污染修复中得到广泛的应用，但其作为重金属污染土壤钝化修复的理想钝化剂，施入到土壤中是否具有较高的稳定性，是其推广应用的前提。因此生物质活性炭的稳定性成为土壤学和环境科学领域研究的热点。综述了生物质活性炭在土壤重金属污染修复中的应用，总结了生物质活性炭在土壤中稳定性的研究现状，以期为生物质活性炭在环境污染修复尤其土壤重金属污染修复中的应用提供参考。
关键词：生物质活性炭；土壤；重金属；稳定性
中图分类号：X712
文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）14-0088-03
1 引言
我国人口不断增加，经济迅速发展，人类赖以生存的土地资源受到越来越严重的污染[1～3]。尤其重金属污染已成为我国污染面积广、危害大的環境问题之一[4，5]。另外，我国集约化养殖规模不断扩大，含 Zn、As、Cu 较高的部分畜禽粪便施入土壤，再加上重金属难以降解，因此，重金属在土壤中出现了较明显的累积现象[6]。由此可见，目前我国土壤重金属污染已比较严重，且低、中浓度重金属污染土壤面积所占比例较大，日益加剧的污染趋势可能还要持续很多年。重金属污染土壤的修复方法较多，均有各自的优缺点。在众多的修复方法中，原位钝化技术修复重金属污染土壤是一种较经济、实用的技术[7]，它适合中、低浓度重金属污染土壤的修复和同时由两种及以上重金属复合污染土壤的修复，原位钝化技术，通过向土壤中施加钝化剂，能够在一定的时间内降低土壤重金属浓度，减少重金属向植物中的迁移，因此，此技术在将来土壤重金属污染修复，尤其是由于农业活动引起的低、中浓度农田重金属污染的修复中具有广泛的应用前景。
原位钝化技术修复重金属污染土壤时，需要一种性能优良的钝化材料。生物质活性炭是由生物质在高温缺氧条件下裂解生成的，其表面含有-COOH等酸性含氧官能团[8]，具有较大的比表面积[9]，对重金属具有较强的吸附能力，有众多研究者将生物质活性炭应用于重金属污染土壤的原位修复中[10]。但生物质活性炭钝化重金属后是否因自身的氧化或降解而将重金属释放出来，造成二次污染，是生物质活性炭修复重金属污染土壤的关键。笔者综述了生物质活性炭在土壤污染修复中的应用，总结了其在土壤中降解和氧化影响其稳定性的研究现状，以期为生物质活性炭在土壤污染修复中的应用提供依据。
2 生物质活性炭在重金屬土壤污染修复中的应用
生物质活性炭，由于具有巨大的比表面积，表面含有丰富的活性官能团，带有大量负电荷，对重金属有较强的吸附能力，可以被用作长效土壤改良剂[11]。研究表明，其可降低Cd、Cu、Pb和Zn等重金属有效态含量，减少重金属向植物中的迁移[12～14]。另外，土壤中添加零价铁改性秸秆生物质炭，对土壤中Cr（VI）和总Cr的固定率分别达到100%和91.4%[15]；生物质活性炭添加到土壤中，能够增加土壤的空隙度，提高土壤的持水性和土壤阳离子交换容量，改良了土壤性质，提高了土壤养分，提高土壤微生物功能多样性[16，17]。因此，生物质活性炭应用于钝化修复重金属污染的土壤具有广泛的应用前景。
3 生物质活性炭钝化壤中重金属的机制
研究表明不同的重金属离子在生物质活性炭上的吸附机制十分复杂，主要为静电吸附、表面络合反应和表面沉淀等多种机制[12，17]，且生物质活性炭的特性（制备温度、比表面积、表面官能团含量）、溶液的性质（离子强度、温度、pH）、重金属离子的特性等可影响生物质活性炭对重金属的吸附能力和吸附稳定性。综合已有研究，生物质活性炭对土壤中重金属离子的作用机制主要有以下几个方面。
（1）表面吸附作用。生物质活性炭具有发达的空隙和巨大的比表面积[18]，为重金属离子提供了存在的空间，土壤中重金属离子较易迁移到其表面，降低土壤中重金属离子的生物可利用性；同时，生物质活性炭为微生物附着和生长提供了良好的环境，能够充分发挥微生物对污染物的分解作用，修复污染土壤[19]。
（2）化学沉淀反应。生物质活性炭的主要组成成分是灰分和有机碳，其中灰分中含有的P03-4、CO2-3等可溶性盐离子能够和土壤中的重金属离子反应生成沉淀，从而将污染物固化；生物质活性炭含有的CO2-3和表面含氧官能团都显碱性，对土壤的pH有一定的缓冲能力，可以提高其pH值，使其中某些交换性或可溶性重金属含量降低[20]。
（3）络合反应。生物质活性炭表面含有丰富的-COOH、-OH和-CHO等含氧官能团[21]，这些官能团不仅能够氧化土壤中有机污染物和病原微生物，还能与重金属离子发生络合反应，生成络合物，提高生物质活性炭的吸附能力[22]。
（4）静电吸附作用。由于表面活性基团的存在，生物质活性炭表面带有负电荷[23]，因而具有较高的阳离子交换能力，生物质活性炭通过静电吸附作用而降低土壤中重金属离子的活性。
4 生物质活性炭的稳定性研究
土壤生物质活性炭的稳定性众说纷纭。有研究认为外加的生物质活性炭由于具有高度的芳香结构[24]，在土壤中具有高度的化学和生物学稳性，非常耐降解。然而，生物质活性炭在环境中存留的持久性并不意味着其在土壤环境中保持不变[25，26]，有研究认为黑碳降解的时间尺度约为数千年[27]，也有研究表明黑碳降解时间尺度可短至数十年[28]，但已有研究[29]表明生物质活性炭进入土壤后，其元素组成和表面化学性质可能发生较大的变化，这些变化都可能影响生物质活性炭对重金属的钝化稳定性。随着土壤条件的变化和时间的推移，土壤中生物质活性炭有氧化和降解的可能性，生物质活性炭作为土壤重金属的钝化剂，其本身的化学稳定性和生物稳定性决定了其对重金属钝化的稳定性，也关系到其吸附钝化后的重金属能否重新释放到土壤中，是探讨生物质活性炭环境风险的理论依据。
5 展望
生物质活性炭应用于钝化修复重金属污染土壤的研究刚刚起步，有研究表明生物质活性炭已应用于重金属污染土壤的修复中，但其吸附和钝化的重金属在特定条件下能否重新释放出来，鲜有报道。因此，下一步需要弄清生物质活性炭在土壤中的生物、化学氧化稳定性和对重金属的吸附稳定性，明确吸附钝化后的重金属重新释放的可能性，为生物质活性炭钝化修复重金属污染土壤技术应用的可行性提供技术依据。
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