【生物炭在重金属污染土壤修复中的应用研究国内外文献综述4000字】

生物炭在重金属污染土壤修复中的应用研究国内外文献综述 1 1 2 3 51.1生物炭的制备及其理化性质生物炭(biochar)主要是指利用生物质能原料经热裂解之后形成的产物，富含碳素、表面官能团丰富等优势而被广泛应用。生物炭对土壤环境的应用被认为是一种新方法，它将作为构造陆地生态系统中减少CO₂排放的重要、长期节点。除了在降低排放和对温室气体封存效率方面会产生积极影响外，生物炭的生产及其在土壤修复上的推广和应用将会通过提高土壤的肥力以及增加农作弃物(主要包括家畜鸡粪、猪粪、牛屎、秸秆、木屑等),工业有机燃料废弃物以及各种城市废水污泥。研究结果表明，生物炭的加工原材料、热解工艺技术应用方法和热解工艺过程中的理化温度等客观因素等都是直接严重影响生物炭理化特征的主要因素，直接控制了生物炭的整体外观及其表面化学结构和各种生物炭具有多孔隙的性质，数量庞大的微孔隙导致生物炭的巨大表面积。并且由于生物炭的多孔化和低密度特性，它可以有效地改善土壤的透空性和通气情况，降低土壤中的厌氧环境。而生物炭的大比表面积特性能使其具有较强的吸附和重金属固定作用，为土壤中微生物安全栖息提供一个优越的环境，提的吸附和化学性能都有很强的影响，制备工艺过程中伴随温度的提升，生物炭生物炭一般属于碱性，pH通常在6.93~10.26之间。而且生物炭偏碱性个重要原因就在于其中富含无机矿物质，并且在生物炭表面上存在着的含氧官能团也是导致它pH变化趋向碱性的一个重要原因。此外生物炭的pH也可能会直接受到热解温度的影响，与之呈正相关关系。高温裂解的生物炭比低温裂解的生物炭中往往含有更多的灰分和酸性挥发物质，因此温生物炭在其表面还存在着大量的含氧官能团(例如羧基、氨基、酚羟基等),样被原材料以及制备工艺条件所直接影响，但由于生物炭在一定的高温环境下可能会高度发生碳化，随着其温度的升高，碳氢、碳氧原子比降低，其官能团数量也会随之降低。研究结果发现，用小麦秸秆进行烧制生物炭时，随着生物炭的热解温度从200℃上升一直到600℃,其氧-烷基二甲醇的含量从一开始的20-54%逐渐下降到6.9-13%。当其热解的温度已经达到600℃,此时可以看出生1.2生物炭对土壤理化性质的影响生物炭作为一种新型高效的吸附化学材料，它不仅能够有效促进土壤生物化学和物理化学之间的有效交互作用，对于土壤的理化特征、土壤肥力以及性能同样具有明显的改良优势[861,已然具有多孔隙和大比表面积的特点，使得它在提高土壤的孔隙度、吸收土壤中常量的营养素和少量的矿物质离子、降低土壤水分聚集以及容重方面有它独特的优势[93,为植物提供良好的生长环境。此外，生物炭自身含有大量矿质元素和微量元素，它可以通过引入这些元素来补充提高土壤肥力，防止土壤营养成分的流失941。生物炭是用于处理酸性土壤的一种理想的改良方法，施用到土壤后，由于对酸性和碱性两种土壤中分别添加了不同原料所制成的三种生物炭(包括玉米秸秆、柳枝、松木),研究结果显示这三种生物炭在加入酸性土壤后均可以在不同的程度上降低或者增加土壤pH,并且随着这三种生物炭添加量的减少而呈上涨趋势，而通过对比对酸性土壤的影响结果，碱性土壤则无多大影响波动。此外，生物炭在热解过程中形成的碳酸盐和有机酸根同样能改善酸性土壤的有效此外，生物炭的大量催化添加能够显著提高土壤的有机质含量，它能有效吸附土壤中的有机分子，并且生物炭的表面催化活性可以有效促进小有机分子聚合形成有机质96]。此外，生物炭自身会被缓慢地分腐殖质，长期的作用下还可以增加土壤的肥力97在初期的表面活性官能团就会发生快速氧化，随着生物炭在土壤中存在的时间越长，其表面活性炭钝化后与土壤作用产生一种矿物质，能够增加土壤内部的表面活性区域，降低水分向根际下方的流失，从而增加植物对土壤养分的利用率[981。1.3生物炭对土壤重金属的影响当生物炭作为添入剂加入土壤中后，能对土壤中各种重金属的有效态和和迁移性产生一定的直接影响，并且使得重金属的有效态含量明显地大幅下降，从而减少重金属在植物中的积累和毒害。生物炭修复重金属污染土壤的机理过程较为复杂，主要包括以下几个方面：(1)由于生物炭的表面携带一定的负电荷，且它们通常具有较高的阳离子交换容量，可与重金属阳离子之间产生静电相互作用。Cu²+在高pH条件下，秸秆生物炭对其的吸附量较高的原因之一会在其表面形成丰富的含氧官能团，而重金属阳离子则可以与之进行络合作用而形成各种稳定的金属络合物。Jiang等人99通过实Cu²+的吸附固定作用效果，评价了官能团及pH对其固定效应。结果表明，两者都能对Cu²+做到有效固定。(3)生物炭普遍呈碱性，加入到重金属污染土壤后，能有效影响土壤中的重金属形态，使其从有效态转化成残余态，进而达到固定重金属，降低其迁移性的目的。同时，由于土壤pH的上升，将会促进重金属化合物水解形成金属氢氧化物，且与之形成碳酸盐或磷酸盐沉淀[100]。(4)当生物炭施入土壤后，它独特的多孔性和表面化学特性以及本身所含的各种营养元素，为微生物的栖息和发展提供了空间和固定的附着地位，能够有效地促进微生物生物炭极大地改变了土壤中细菌的群落和结构，同时显著地减少了土壤中的微生物产卵量和细菌种类的多样化，并且它们都与生物炭的添加量和使用比例呈现出正相关。生物炭对于土壤中的重金属吸附作用主要取决于土壤特性、环境条件以及生物炭种类的影响，其中土壤性质和生物质材料的特性是重要的影响因素。由于原材料、加工工艺以及与热解环境的相互作用差异，生物炭在结构和颗粒径的分布、比表面积、表观密度等理化性质上表现出了多样性，这种差异性使得其对重金属的吸附表现出不同的效果871。有研究人员分别将米糠、秸秆、木屑和玉米秸秆放置于300-700℃条件下，用来制备生物炭，从而针对Cd²+和Pb²+的吸附作用效果进行了研究。结果表明，在700℃条件下所制成的生物炭的吸附效应均明显优于其他各种生物炭，其中秸秆吸附效果最佳[1021。土壤pH也被广泛认为可能是直接影响重金属吸附的一个重要因素，它会影响重金属离子的存在形式和生物炭表面电荷的分布。王震宇等人[1031通过研究分析结果发现，当pH为2时，生物炭对于Cd²+的吸附效果表现得最差，因为带正电荷的生物炭表面与之同性相斥，不利于生物炭对Cd²+的吸附。但是随着pH的进一步升高，生物炭在其表面产生了负电荷，并且在溶液中阳离子的释放也随之减少，与Cd²+竞争力也随之减弱，增加了Cd²+的吸附。此外，土壤中的各种有机质对于土壤吸附性能也具有一些影响，例如土壤中的各种官能团都有可能与土壤中的重金属进行螯合作用，生成稳定的金属螯合物。生物炭可以有效地改善土壤中各种有机质的含量，并且它们的含量和使用生物炭的添加剂量是成正比的。1.4生物炭对土壤氮循环功能微生物的影响生物炭作为一种有效的改良剂应用于土壤中，通过改善土壤的物理化学和生物特性，以此来达到减少温室气体排放，固碳，提高土壤肥力和作物产量的添加生物炭，最有可能是通过增加土壤pH值，增加了nosZ转录本的丰度，从而减少了N₂O的排放。生物炭对微生物介导的氮循环过程的影响，包括硝化、反硝化和氮固定，炭对于土壤中氮循环微生物的影响也会有一定的区别，如王晓辉等人将稻秆生但是污泥生物炭的大量施入并没有显著地改变土壤中氮循环的微生物多样性和AOB基因拷贝数与全氮及全碳含量存在显著正相关性，而污泥生物炭中全氮和全碳含量要远低于稻秆生物炭，因此其能为硝化细菌和反硝化细菌提供的碳源热解温度的升高也会直接导致土壤中生物炭的比表面积、孔隙及碳含量也随之增大89,115,对于土壤的通气状态也具有明显的改善作用，土壤中的微生物所需的碳源，有利于提高土壤氮循环中各种微生物的活性。同