生物质炭修复重金属及有机物污染土壤的研究进展

生物质炭是生物质原料在完全或部分缺氧条件下高温热解后的固体产物,它具有丰富的孔隙结构和较高的碳含量。该物质具有巨大的表面积和较强的阳离子交换能力等特殊性质,对受污染土壤中的重金属和有机物都具有很强的吸附能力,有效地降低这些污染物的生物有效性和在环境中的迁移,对改善土壤环境具有重大意义。近年来我国土壤污染严重,利用生物质炭修复受污染土壤的技术得到了广泛的关注。本文简述了生物质炭修复土壤污染的基本原理,探讨了与其他修复方法相比存在的优势,阐述了国内外近年来利用生物质炭修复污染土壤的研究进展,最后展望了今后需要进一步研究的领域。     

生物质炭土壤调理剂的研究进展

生物质炭作为一种高效、绿色、多功能的土壤调理剂在农业生产和环境修复中具有广阔的应用前景,因而受到了国内外研究学者的广泛关注。论文综述了生物质炭在土壤改良、污染土壤修复、土壤微生物以及对农作物的影响机理等方面的研究成果,分析展望了生物质炭土壤调理剂的发展趋势,提出了需要进一步研究和解决的问题。     

制备条件对生物质炭特性及修复重金属污染农田土壤影响研究进展

生物质炭是生物质废弃物在限氧条件下热解产生的多孔、低密度的富碳材料。前体物质和热解条件在很大程度上决定了生物质炭的表面积和阳离子交换量,影响生物质炭将重金属污染物吸附到其表面的能力,从而影响重金属在农田土壤中的迁移。本文从生物质炭的前体物质种类及热解条件对生物质炭的特性、改良土壤以及修复重金属污染农田土壤的影响等方面进行综述,并提出生物质炭修复重金属污染农田土壤研究的未来发展趋势。     

生物质炭改良土壤研究进展

综述了生物质炭的生产原料和基本性质,分析了生物质炭对改善土壤理化性质的作用、改善土壤微生物环境的作用、土壤重金属和有机污染的修复作用等原理及应用,并对其在土壤改良中的应用进行了展望。     

生物炭修复重金属污染农田土壤的机制及应用研究进展

将生物质转化为生物炭并用于重金属污染农田土壤修复中,是有效利用生物质资源、保障粮食安全的有效途径之一。然而,生物炭的应用效率受其特性和土壤环境影响极大。该研究综述了生物炭特性,并探讨了生物质和热解温度对其影响规律,阐明了生物炭对重金属的直接固定作用,以及通过影响土壤p H值、阳离子交换量(Cation Exchange Capacity,CEC)、矿物组分和有机质等,进而间接固定重金属的作用机制。同时,该文系统总结了国内外生物炭在田间试验中的应用,从土壤重金属迁移性和生物有效性、作物累积重金属和作物产量等3个方面阐明了生物炭的应用效果和作用规律。针对田间试验条件区别于室内试验的特殊性,探讨了生物炭施撒方式及用量、施肥等田间管理和气候环境等现场条件对生物炭应用的影响,并对今后完善生物炭在土壤修复中作用机制、扩大研究尺度和长期土壤监测等方面研究进行了展望。     

不同温度下热裂解芒草生物质炭的理化特征分析

芒草是一个极具潜力的生物质能源作物,为了研究了解芒草生物质炭的特征,评价其农业和与环境领域应用价值与潜力,该研究分别在和下制备生物质炭,测定其基础理化性质,以期了解芒草生物质炭特征及其随裂解温度变化的规律。结果表明,裂解温度显著地影响芒草生物质炭物理与化学性质,低温生物质炭含有比较高的水溶性成分,而高温生物质炭具有比较高的pH值、C/N比、芳香化结构、持水量和比表面积;但裂解温度对生物质炭δ值没有显著的影响。该文还讨论了芒草生物质炭在化肥利用率提高,以及污染土壤和水体修复等领域的潜在价值与工业应用前景,研究结果可为芒草生物质炭在土壤改良、固碳减排等方面的应用提供基础数据。     

生物质炭对土壤-水稻系统中Cd迁移累积的影响

探究生物质炭添加对Cd污染土壤中Cd形态、植株对Cd的吸收分配及土壤肥力的影响,为污染稻田粮食安全提供科学依据。在湖南省长沙市Cd污染稻田进行田间定位试验,设置5个生物质炭添加量处理(0,10,20,30,40t/hm^2),分析生物质炭对Cd在土壤中形态转化和水稻器官中分配的影响。结果表明:生物质炭通过将土壤中酸溶态Cd钝化为可还原态Cd以减少在水稻器官中的累积,钝化量随着生物质炭增加而增加,土壤酸溶态Cd较CK降低3.83%～19.08%;且茎对根和糙米对茎的转运系数随生物质炭的添加分别降低4.23%～9.30%和1.39%～8.33%;土壤酸溶态Cd含量直接影响糙米中Cd含量,且受土壤pH和土壤有机碳的调控。Cd污染稻田添加生物质炭可以提高土壤肥力,降低土壤Cd生物有效性,20t/hm^2生物质炭添加量可以作为研究区周边Cd污染稻田修复的参考标准。     

生物质炭对有机污染物的吸附及机理研究进展

生物质炭是一种利用废弃生物质材料在缺氧或厌氧环境中热化学转换制备的多孔级富碳固体材料。因其吸附能力强,制备原料来源广泛,生产成本低且环境友好等优点受到学术界越来越多的关注。探究生物质炭对有机污染物的吸附机理和规律,对于评估其环境行为和应用价值至关重要。着重综述了目前研究报道的生物质炭吸附有机污染物的吸附机理,包括分配作用、表面吸附作用和孔隙截留等。一般低温生物质炭对非极性有机物的吸附机制以分配作用为主,这种非竞争性吸附机理可以解释高浓度有机污染物在生物质炭上的吸附过程。表面吸附是一种非线性竞争性吸附作用,是有机污染物在生物质炭表面有效吸附位点上形成静电作用或通过氢键、离子建、π-π相互作用等结合的过程。孔隙截留是另一种生物质炭固定有机污染物的微观机制,有机污染物在孔隙内部的分配和吸附也是生物质炭吸附能力的重要体现。而在实际复杂的污染环境中,各类生物质炭对有机污染物的吸附过程需要多种机制共同解释。此外,本文对吸附机制的影响因素进行了分析和总结,生物质炭自身理化特性决定了其应用价值,生物质炭的性质与有机污染物的极性、芳香性和分子大小等相匹配才能更好地实现吸附固定,不同的吸附环境如吸附介质、p H和共存离子等也会对吸附机制和吸附效果产生影响。最后,文章进一步探讨了生物质炭吸附有机污染相关研究未来应着重解决的问题,以及生物质炭在有机污染土壤修复中的应用前景。     

生物质炭中的污染物含量及其田间施用的环境风险预测

生物质炭在碳固定、污染修复和酸性土壤改良中的应用非常广泛,但对生物质炭中所含污染物的研究甚少,其在田间应用中的环境风险并不清楚。该文选择松针和麦秆为原料,采用不同制备方法,研究了不同条件下获得的生物质炭中的重金属和多环芳烃含量,并初步评估了其田间应用的环境风险。研究表明,不同有机废弃物来源制备的生物质炭中均含有一定量的重金属(0.301～128mg/kg)和多环芳烃(1.48～5.48mg/kg);松针制备的生物质炭中的重金属含量普遍高于麦秆制备的生物质炭,而多环芳烃含量则相反,且高温制备有助于降低生物质炭中的多环芳烃含量;在低施用量的田间条件下,生物质炭的施用不易对土壤造成多环芳烃的环境风险,但在高施用量条件下,生物质炭中含有的多环芳烃容易使土壤中多环芳烃含量达到中度或重度污染的程度;生物质炭中的重金属在土壤中的积累量比较有限,环境风险较小。     

小麦秸秆生物质炭对碱性土壤中油菜生长和镉吸收的影响

为探讨小麦秸秆生物质炭对镉(Cd)污染碱性土壤的修复效果,采用序批式吸附试验和Cd污染土壤盆栽试验,研究了小麦秸秆生物质炭施用(1%,m/m)对碱性土壤吸附Cd的影响,以及对Cd污染土壤中油菜生长和Cd吸收的影响。结果表明:Cd在生物质炭上的吸附等温线非线性较强,生物质炭对Cd的表面吸附起主导作用,Cd在生物质炭上的分配系数(a)是在土壤上的1.5～3.0倍。生物质炭施用可促进土壤对低浓度Cd的吸附,0.1 mg·L~(-1)平衡浓度下K_d值提高了19.5%;生物质炭施用可抑制土壤对高浓度Cd的吸附,在10 mg·L~(-1)条件下K_d值降低了37.2%。生物质炭施用对土壤pH值影响不显著,但缓解了Cd污染对油菜生长的抑制作用,油菜生物量最高提高了45.0%,也抑制了油菜对Cd的富集,油菜富集Cd的量最高降低了40.6%;CaCl_2、Mg(NO_3)_2、NH_4OAC、HCl、DTPA和BCR1作为提取剂提取出土壤中Cd的量与油菜地上部分吸收Cd的量相关性较强(线性回归方程决定系数R~20.8),而Mg(NO_3)_2萃取出土壤中Cd的量更能预测油菜地上部分吸收Cd的量。研究表明,小麦秸秆生物质炭有利于降低碱性土壤中Cd的生物有效性,但并非通过提高土壤pH值和吸附能力来实现。     

不同原料生物炭理化性质的对比分析

为研究不同原料生物炭理化性质的差异,以苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭和褐煤生物炭6种生物炭为测试材料,利用傅里叶红外光谱仪和Boehm滴定法对生物炭表面官能团进行定性和定量分析,用电子扫描显微镜观察生物炭表面形貌,并测定生物炭的pH值、有机碳含量和阳离子交换量等基本理化性质。结果表明,除污泥生物炭呈弱酸性外(pH=6.76),其他生物炭均呈碱性(pH=8.49~9.96)。苜蓿秸秆生物炭有机碳含量最高(588.43 g·kg~(-1)),污泥生物炭最低(168.17 g·kg~(-1))。阳离子交换量大小排序为,苜蓿秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭葡萄藤生物炭小麦秸秆生物炭污泥生物炭褐煤生物炭。FTIR图谱表征显示,生物炭表面存在芳香烃类和含氧基团,生物炭的结构以芳环骨架为主。苜蓿生物炭表面官能团总数最多,污泥生物炭最少。扫描电镜(SEM)结果表明,苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭表面有明显孔隙结构,褐煤生物炭和污泥生物炭表面并无明显的孔隙结构。综上,苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭适用农田土壤改良与培肥,褐煤生物炭和污泥生物炭可尝试用于污染土壤的修复,同时污泥生物炭可用于盐碱土的改良。     

棉花、花生秸秆生物炭对棕壤中Cu(Ⅱ)运移的影响

[目的]分析棉花、花生生物炭基本理化性质,模拟自然条件下降雨对土壤中Cu(Ⅱ)淋失量的影响,探讨生物炭修复Cu(Ⅱ)污染棕壤的可行性。[方法]以棉花、花生秸秆为原料,采用限氧热解法分别在350,500,650℃下制备生物炭,将生物炭按1%的炭土干重比施入铜污染棕壤[Cu(Ⅱ)的浓度200mg/kg],通过室内土柱淋溶试验分析添加不同生物炭对土壤缓冲性能和吸附能力的影响。[结果]两类生物炭的H/C及O/C的比值随着温度的升高逐渐降低,而生物炭的BET比表面积则随着制备温度的升高而逐渐增大;添加生物炭的土壤淋溶液pH值显著高于空白处理,花生生物炭的效果更为显著;随着淋溶次数的增加,添加生物炭的土壤中Cu(Ⅱ)的淋失量明显低于空白处理;添加花生生物炭提高了土壤中Cu(Ⅱ)的专性吸附,以650℃最为显著。[结论]两种生物炭能明显提高土壤的缓冲性能和对重金属的吸持能力,其中以花生生物炭的效果更为明显。     

施加不同种类生物质炭及冻融交替后土壤吸附Cu(Ⅱ)的变化

以棉花和花生秸秆为原料于500℃下限氧慢速热解制备得到两种生物质炭,通过批处理恒温振荡法,探讨了土壤施加不同种类生物质炭及冻融交替后吸附Cu(Ⅱ)的变化。结果表明,Freundlich和Langmuir等温模型均能较好地拟合各处理土壤对Cu(Ⅱ)的吸附,土壤施加棉花和花生秸秆炭后对Cu(Ⅱ)的吸附能力显著提高,吸附能力分别提高了3.8和17.9倍;冻融交替后施加棉花和花生秸秆炭的土壤对Cu(Ⅱ)的吸附能力均降低,吸附能力分别下降了1.6和1.1倍;花生秸秆炭比棉花秸秆炭更适宜作为土壤改良剂修复重金属污染土壤。     

生物炭对设施退化土壤氮相关功能微生物群落丰度的影响

设施栽培土壤在人工调控下进行生产,长期处在高温高湿、无降水淋洗、高复种指数、持续大量施肥等特殊环境条件下,它的物理结构和生化性状产生很大变化.菜农因传统施肥经验而形成的盲目大量施肥行为造成氮肥的过量摄入,从而愈发加重了土壤表层养分富集、酸化板结、养分失调等,继而导致蔬菜品质严重下降,在部分种植年限较长的大棚已不能进行蔬菜生产,严重制约了各地区设施农业的可持续发展[1].而长期过量的施用氮肥还会使设施土壤中硝态氮含量升高,减少土壤中的硝化微生物菌群的丰度,提高反硝化微生物的活性,促进N2O的排放通量[2].因此,为了保证设施栽培产业能够健康、可持续地发展,使蔬菜生产向高产、高效、优质的方向发展,对设施栽培土壤氮循环的研究已迫在眉睫.     

4种不同原料生物炭对镉污染土壤的钝化效果与稳定性比较

生物炭的性质与老化作用是影响生物炭钝化修复Cd污染土壤效果的重要因素。比较研究4种不同原料生物炭(污泥类、秸秆类、动禽粪便类和木本类)对Cd²⁺吸附作用和Cd污染土壤的钝化修复效果的差异。结果表明:施用生物炭显著提升土壤孔隙水pH(棕榈丝生物炭除外),降低孔隙水DOC和Cd浓度,从而减少水稻根系对孔隙水中Cd的吸收。同时,4种生物炭提高土壤pH,降低土壤有效态Cd、水稻根系和籽粒Cd含量。老化作用减弱稻秆生物炭的钝化效果,显著增强棕榈丝生物炭对土壤Cd的钝化作用,然而,老化作用对富含灰分的猪粪生物炭和污泥生物炭的影响较小。因此,选择生物炭钝化修复Cd污染稻田土壤时,必须考虑生物炭的原料及其老化作用。     

小麦秸秆生物炭对石油烃污染土壤的修复作用

以小麦秸秆为原材料,在300℃下缺氧裂解3、6、8 h制备生物炭,比较了3种生物炭的产率、pH值、灰分以及C、H、N元素含量,表征了300℃、6 h生物炭的表面形态,并用其作为修复材料,对大港油田的石油污染土壤进行修复。结果表明,随裂解时间的延长,生物炭产率下降,pH值升高,灰分含量增加,H/C值下降,但产率、pH值、灰分和H/C值都是从3 h到6 h差异显著,6 h到8 h差异不显著。C元素含量先升高后下降。石油污染土壤经生物炭修复14 d和28d后,总石油烃降解率分别为45.48%和46.88%,均显著高于对照组。修复14 d后土壤中的萘、苊、苯并[a]蒽、屈、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苯并[a]芘、茚并[1,2,3-cd]芘也都有不同程度的下降,其中苯并[a]芘含量下降幅度达98.18%,其他几种PAH的降解率也都高于对照组,28 d后这些PAH的含量又有上升趋势。这说明小麦秸秆裂解时间对生物炭的性质有影响;300℃、6h生物炭可以用来修复石油污染的土壤。     

不同老化方法对生物炭表面特征及镉吸附能力的影响

为明确不同自然环境过程（氧化还原、降雨、光照）对生物炭的老化作用及其对重金属吸附能力的影响,该研究以不同温度（200、500 °C）和气氛（O₂、N₂）热解的小麦秸秆生物炭为研究对象,采用化学氧化、干湿交替、紫外光照氧化3种人工老化方法模拟生物炭在自然环境中的老化过程,并分析老化作用对生物炭理化性质及镉（Cd）吸附能力的影响。结果表明：与初始生物炭相比,老化作用使生物炭表面破碎,孔隙结构增多,提高了生物炭比表面积。干湿交替老化使低温生物炭的比表面积增大0.85倍,而经过化学氧化后的低温生物炭、高温生物炭比表面积分别增大8.81、0.37倍。老化过程使生物炭的官能团种类减少,且含氧官能团数量发生不同程度的变化,其中化学氧化使羧基、内酯基等含氧官能团增多,而干湿交替及紫外光照老化主要引起含氧官能团数量的减少。此外,热重分析结果表明化学氧化使低温生物炭热稳定性降低,而所有老化后的高温生物炭热稳定性均增强。化学氧化、紫外光照、干湿交替3种老化处理均可提高两种生物炭的吸附能力,Cd²⁺吸附量分别提高498.95%~799.36%、436.10%~768.43%、35.53%~128.10%。因此,生物炭实际应用时需综合考虑其环境过程、特性变化以及目标污染物种类,以促进生物炭环境应用的长远发展。     

Effect of tobacco stem-derived biochar on soil metal immobilization and the cultivation of tobacco plant

Journal of Soils and Sediments - Tobacco stems collected from tobacco cultivation fields were pyrolyzed to produce value-added biochar that was used to remediate metal-contaminated soil which was...     

Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil

While a large-scale soil amendment of biochars continues to receive interest for enhancing crop yields and to remediate contaminated sites, systematic study is lacking in how biochar properties translate into purported functions such as heavy metal sequestration. In this study, cottonseed hulls were pyrolyzed at five temperatures (200, 350, 500, 650, and 800 °C) and characterized for the yield, moisture, ash, volatile matter, and fixed carbon contents, elemental composition (CHNSO), BET surface area, pH, pHpzc, and by ATR-FTIR. The characterization results were compared with the literature values for additional source materials: grass, wood, pine needle, and broiler litter-derived biochars with and without post-treatments. At respective pyrolysis temperatures, cottonseed hull chars had ash content in between grass and wood chars, and significantly lower BET surface area in comparison to other plant source materials considered. The N:C ratio reached a maximum between 300 and 400 °C for all biomass sources considered, while the following trend in N:C ratio was maintained at each pyrolysis temperature: wood?cottonseed hull≈grass≈pine needle?broiler litter. To examine how biochar properties translate into its function as a heavy metal (NiII, CuII, PbII, and CdII) sorbent, a soil amendment study was conducted for acidic sandy loam Norfolk soil previously shown to have low heavy metal retention capacity. The results suggest that the properties attributable to the surface functional groups of biochars (volatile matter and oxygen contents and pHpzc) control the heavy metal sequestration ability in Norfolk soil, and biochar selection for soil amendment must be made case-by-case based on the biochar characteristics, soil property, and the target function.