环境氧化影响下黑碳吸附农药的衰减机制

黑碳（Black Carbon）的环境氧化是指光、热、氧化剂、微生物等环境要素影响下黑碳自身结构的氧化破坏和持续降解。环境氧化不仅能在短期内改变黑碳的元素组成和表面性质，更可能持续影响有机污染物在黑碳/水环境界面上的吸附行为。为系统阐释上述科学问题，本项目将以新生态（Fresh）黑碳为研究对象，以环境非生物氧化（Abiotic Oxidation）为主要氧化手段，研究氧化前后不同来源和不同类型黑碳，在表面基团、表面电荷、比表面积和孔结构性质上的差异，进一步讨论上述差异对农药吸附/脱附行为的影响；综合分析并阐明黑碳环境氧化过程中农药吸附衰减的过程、规律和机理。上述研究将有助于系统揭示环境氧化过程中黑碳性质变化的动态规律，正确认识环境氧化影响下黑碳吸附农药的动态特征，进而全面客观地评价黑碳吸附农药等有机污染物的环境过程与机制。

环境氧化能够改变黑碳性质的现象已被广泛认可。然而，环境氧化如何进一步影响黑碳吸附污染物的行为，目前还不为人们所知。本项目热解制备了一系列杉木源的黑碳（BC），分别为低温黑碳（BC300和BC400，300的含义为300摄氏度制备，下同）和高温黑碳（BC500和BC600），在湿度80%，控温60摄氏度条件下，模拟日夜交替和自然光照，进行了为期12个月的环境氧化实验。研究发现，氧化后低温黑碳的表面氧炭比、表面基团密度和阳离子交换容量（CEC）都有较大提升，而高温黑碳的变化程度不大。经历1年氧化后，BC300对农药百草枯的吸附提升了15%-200%，这主要得益于CEC的提升增强了静电相互作用。与此相反，氧化后高温黑碳（BC500和BC600）的吸附量降低了14.5%-32%。这一改变与黑碳氧化后非极性污染物萘的吸附变化类似，主要原因在于高温黑碳的吸附以π-π作用为主，氧化后增加的表面基团会形成水簇，阻碍百草枯与碳表面的π-π相互作用。此外我们还发现，氧化后BC400对百草枯的吸附呈现增强的趋势，而对敌草快的吸附呈现吸附降低的趋势。这充分说明环境氧化对黑碳吸附的影响，不仅与黑碳性质的改变有关，还与阳离子型农药的结构性质密切相关。