改性秸秆炭的制备及其修复重金属污染土壤的研究

李峰森 侯振来 王泽川 吴双

摘 要：针对目前国内秸秆炭的制备以及修复重金属污染土壤的问题进行调查研究，为了解决其目前存在的功能性缺陷，提出了改良秸秆碳的新措施，并对这些新技术进行了多次的实验验证，在我国在秸秆碳的制备及其修复重金属污染土壤方面具有一定的参考价值。

关键词：改良秸秆炭;重金属污染;固定机理;形态转化

1引言

随着工业化和城镇化的快速发展，农业、工业和其他行业排放到土壤中的重金属元素日益增多，使我国的重金属污染问题日益突出。生物炭具有难溶、自身稳定性强、比表面积大、表面官能团丰富等性质，因此对于重金属Pb、Cd、Cu等具有有较好吸附作用[1]。本技術通过对秸秆炭加以改性，使其大幅度地提升对于重金属的固定能力。这对推动我国重金属污染土壤的治理工作具有积极的意义，同时对中国农业的发展具有一定的推动作用，符合我国关于可持续发展的战略要求。

2改良秸秆炭的制备

2.1 传统秸秆炭的现状分析

传统生物炭的生产主要采用的是碳化技术，即采用封闭窑体创造缺氧的环境，利用外部加热的方式提供生物质碳化最初所需的能量，使生物炭材料在数小时乃至数天的时间内发生缓慢的碳化反应[2]。该方法兼有操作简便及低成本的特点，至今仍被大量运用于生物炭的制备，尤其在发展中国家及欠发达国家。但目前炭化法具有产炭率低的缺点，因此秸秆炭在制备方法上具有很大的提升空间，需要进一步提高。同时传统的秸秆炭在重金属污染土壤治理上呈现出来的低效率，也促进了对秸秆炭的理化性质和结构性质进行进一步的研究。

2.2 传统秸秆炭的改性

为了弥补上述秸秆炭制备方法的不足之处，以秸秆为原料，通过在不同温度的无氧条件下热解制备秸秆炭。随后在密闭容器中经臭氧氧化处理，对秸秆炭理化性质和结构性质加以改变。通过此方法可以提高秸秆炭的产炭率，对于秸秆炭的理化性质也具有一定的改变。

3秸秆炭对重金属污染土壤的修复作用

3.1改性秸秆炭对重金属Cd、Hg、As、Pb、Cr的固定能力和反应机理

为了验证改性秸秆炭对于重金属的固定能力，选用水作为介质，研究改性生物炭对Cd、Hg、As、Pb、Cr的吸附等温过程。实验结果表明，改性秸秆炭对于重金属的钝化具有更好的效果，这可能是臭氧的氧化作用使秸秆炭的结构性质和理化性质更有利于对重金属的固定。改良秸秆炭的优良性能主要表现在两个方面：一是降低秸秆炭的极性，O+N）/C 可以用来反映生物炭极性的高低，由于对传统的秸秆炭的制备技术进行了改良，因此改性秸秆炭中的（O+N）/C 比例大幅度的降低。同样，降低的（O+N）/C 也说明了生物炭表面官能团的损失，这一点可以从生物炭表面含氧官能团的变化中得到很好的验证;二是在炭表面的羟基和羧基之间的相互作用下，金属离子和MOH+进行离子交换，重金属得以吸附在生物炭表面上。因此改性秸秆炭有效的降低了生物炭的极性、增大了其表面积，从而使改性生物炭在结构性质和理化性质上更有利于对于重金属的吸附[3]。

3.2改性生物炭中重金属在土壤中的形态转化和微观过程

重金属在土壤中的形态归纳为可交换态、螯合态、残渣态三类。可交换态是指沉积物及土壤中的某些成分对金属的吸附而形成的一种化学形态。螯合态是指螯合物的状态，包括络合态、吸附态及碳酸盐结合态。残渣态是指一般存在于硅酸盐、原生和次生矿物等土壤晶格中，是自然地质风化的结果，在自然状况下不易被释放出来，能够长期在土壤中存在，而且不被植物所吸收。研究表明[4]，在相同条件下，与传统的秸秆炭相比，改性秸秆炭可以使土壤中可交换态的重金属的含量大幅度减少，螯合态和残渣态的重金属的含量大幅度增加，同时改性秸秆炭可以有效地抑制重金属由可交换态向螯合态和残渣态的转变，进一步地提高了改性秸秆炭对于重金属土壤地修复作用。

4结论

随着工业化和城镇化的快速发展，农业、工业和其他行业排放到土壤中的重金属元素日益增多，使我国的重金属污染问题日益突出，因此对于重金属污染土壤的修复工作刻不容缓。与传统的秸秆炭相比，改性秸秆炭具有较低的极性，较大的表面积等优势，从而使它能够对重金属污染土壤的修复工作具有极大的推动作用。同时，还能够缓解由于焚烧作物秸秆而引起的雾霾等空气污染现象，这将带来重要的经济和社会效益。

参考文献

[1] 李永正，毛凌晨，严南峡，陶红，李师佳.鸽粪基生物炭对土壤重金属形态的影响[J].燃烧科学与技术，2020，26：185～191.

[2] 刘玉玲，朱虎成，彭鸥，李丹阳，杨蕊嘉，彭晶，铁柏青.玉米秸秆生物炭固化细菌对铬砷吸附 [J].环境科学，2020，4：1～13.

[3] 罗阳，梁运信.不同秸秆炭的制备及其对铬污染黄壤中铬的钝化效果[J].贵州农业科学，2020，48（2）：29～33.

[4] 王俊楠.生物炭在土壤重金属修复中的应用[J].科技创新与应用，2019（17）：162～163.

作者简介：李峰森（1998-），男，汉族，山东省菏泽人，本科在读，给排水科学与工程专业。

基金项目：吉林省大学生创新创业训练计划项目（201910191104）