生物炭——重金屬污染土壤改良劑

重金屬污染土壤原位修復(fù)是指向污染土壤中投加一種或多種物質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤理化性質(zhì)，通過與重金屬發(fā)生一系列反應(yīng)，改變重金屬在土壤中的賦存形態(tài)，降低其生物活性和毒性，減少對環(huán)境的毒害作用和在土壤中的遷移積累，達(dá)到土壤修復(fù)的目。目前，比較常見的改良劑主要包括粘土礦物、含磷材料、硅鈣物質(zhì)、金屬氧化物、有機(jī)物料、生物炭和新型材料等。不同改良劑對土壤中重金屬的鈍化作用不盡相同，主要包括離子交換、吸附、沉淀、絡(luò)合和氧化還原等作用機(jī)理。

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(shù)碳以高度扭曲的芳香環(huán)不規(guī)則疊層堆積的形式存在生物炭具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)，具有較大的比表面積;生物炭還具有芳香族化合物的結(jié)構(gòu)特性，其表面含有含氧、含氮、含硫等多種官能團(tuán)，具備良好的吸附能。

1、生物炭的應(yīng)用

作為一種具有極大應(yīng)用潛力的功能材料，生物炭作為一種新型環(huán)境功能材料引起廣泛的關(guān)注。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，一般認(rèn)為，生物炭具有良好的理化性質(zhì)和養(yǎng)分調(diào)節(jié)能力，施入土壤后，由于其多孔性結(jié)構(gòu)，可以有效改善土壤理化性質(zhì)和微生物活性，降低土壤養(yǎng)分的流失，從而提高土壤肥力，促進(jìn)作物的生長。

生物炭具有高度芳香化結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性高，將生物有機(jī)質(zhì)通過熱解方式轉(zhuǎn)化為高度穩(wěn)定的生物炭，可以減緩含碳物質(zhì)的分解，從而減少溫室氣體的排放。有研究發(fā)現(xiàn)生物炭在土壤中通過表面吸附溶解性有機(jī)碳(DOC)，促進(jìn)包裹著有機(jī)質(zhì)的土壤顆粒的大量形成，從而減緩?fù)寥烙袡C(jī)碳的礦化作用，減少CO的排放;另有研究結(jié)果表明，相較于等C量的碳素物質(zhì)，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(tuán)豐富，能夠吸附環(huán)境中的有機(jī)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(huán)境風(fēng)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(jī)污染物來說，高溫制備的生物炭一般具有較強(qiáng)的極性，與有機(jī)物質(zhì)的親和能力較強(qiáng);生物炭能夠提高土壤中微生物的活性，提高對有機(jī)污染物的降解能力。

2、生物炭對重金屬的作用機(jī)理

生物炭鈍化重金屬的可能機(jī)制有離子交換作用、靜電吸附作用、表面沉淀和絡(luò)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(jī)制共同實現(xiàn)的，其中最為關(guān)鍵的是Pb2+與生物炭表面釋放的Ca2+、Mg2+等陽離子發(fā)生交換作用，促進(jìn)生物炭中的腐殖質(zhì)和礦物氧化物對Pb的共沉淀和內(nèi)層絡(luò)合作用，而Pb2+與表面官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合作用、物理吸附以及Pb2+在生物炭顆粒內(nèi)擴(kuò)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(jī)制可能存在差異;不同生物炭在理化性質(zhì)方面存在差異，其對重金屬鈍化的機(jī)制也不盡相同;此外，重金屬污染的土壤本身的性質(zhì)對生物炭鈍化重金屬的效果也會產(chǎn)生一定的影響。

3、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(guān)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(jié)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(jìn)釋放的作用。

但有學(xué)者研究認(rèn)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(jìn)重金屬釋放。因此在土壤中施用生物炭對重金屬產(chǎn)生的影響和作用機(jī)制仍然需要開展深入的研究。