生物炭胶体与重金属在水-土介质中共迁移过程和机制

With the wide use of biochar on the remediation of heavy metal contaminated soil, the effect of biochar on the mobility of heavy metals in soil and their risk of environmental health have become a new research hotspot. But so far, the reduction / promotion of heavy metal mobility have not yet been finalized. It is usually attributed to the various natures of biochar, soil properties and the different types of heavy metals. However, the effect of biochar colloids release in soil and their co-migration with heavy metals have never been concerned about. Therefore, the main work will be to investigate the co-migration processes of biochar colloids with heavy metals in saturated porous media, including the sub process of the release of biochar colloids, the sorption and desorption of heavy metals on biochar, the aggregation of biochar, the co-migration and retention of biochar colloids with heavy metals by using straw biochar. Simultaneously, the effect of biochar properties and environmental related factors on the co-migration processes will be also explored to reveal the mechanism of interactions among various phases in the process of co-migration of biochar colloids and heavy metals. The results will be helpful to understand the influence of biochar on soil heavy metal migration and their environmental effects, and provide theoretical basis and support for the implementation of risk minimization strategy for large-scale application of biochar technology.

随着生物炭在土壤污染修复领域的广泛应用，生物炭对土壤重金属迁移性的影响及环境风险评估已经成为一项新的研究热点，但生物炭对重金属迁移性的降低/促进作用至今尚无定论。先前研究通常归因于生物炭性质、土壤性质和重金属种类不同，却未曾关注土壤中生物炭胶体的释放及其与重金属共迁移的作用。本项目选取秸秆生物炭为代表，以子过程解析的方法，研究饱和水-土介质中生物炭胶体与重金属离子的共迁移过程，包括生物炭胶体释放子过程、重金属离子在生物炭胶体上的吸附与解吸子过程、生物炭胶体在水溶液中的团聚子过程、生物炭胶体与重金属离子在水-土介质中迁移和滞留子过程。同时考察生物炭胶体性质及相关环境因子对生物炭胶体与重金属共迁移过程的影响，充分揭示生物炭胶体与重金属共迁移过程的各相界面作用机制。本项目研究结果将有助于深入了解生物炭对土壤重金属迁移性的影响及环境效应，为生物炭技术的应用实施风险最小化战略提供一定的科学依据。

生物炭在环境中的稳定性决定了其环境效应的稳定性，是评价生物炭环境功能及环境意义的重要方面。本项目选取水稻秸秆和小麦秸秆生物炭为代表，以子过程解析的方式研究了生物炭在水溶液介质中的释放和团聚行为及其相关机制。我们不仅考查了简单溶液体系中生物炭胶体的释放动力学、热力学和团聚动力学行为及其机制，还考察了在实际的地表水和土壤水溶液体系中生物炭胶体的释放和团聚行为，取得了一些有意义的成果。本项目的主要研究结果如下：（1）水流扰动足以使得生物炭本体释放出生物炭胶体而造成生物炭的质量损失，生物炭胶体的释放量与其自身性质密切相关。例如，生物炭胶体释放量与其本体中亚微米级碎片含量呈显著正相关；低温制备的生物炭（200℃）具有最强的耐磨性，其形成的亚微米级碎片量最少，这与其不完全碳化形成的胶联状结构有关；中温制备的生物炭（400℃）具有最弱的耐磨性，其形成的亚微米级碎片最多，最容易形成生物炭胶体而造成碳流失。（2）水溶液的化学性质变化将显著影响生物炭胶体的释放量，溶液的离子强度和pH是最为主要的因子。例如溶液离子强度从0.1mM增加到20mM时，生物炭胶体的释放量将减少37.3-98.9%。生物炭自身的pH值是影响其在不同溶液pH条件下生物炭胶体释放的临界值，只有在高于或等于其自身pH的条件下才有明显的生物炭胶体释放。（3）生物炭在天然水溶液体系中有明显的生物炭胶体释放，并且生物炭胶体颗粒在天然水体系中具有较好的稳定性。例如，400℃制备的水稻秸秆生物炭在试验的土壤溶液中的生物炭胶体释放量可达 225.8-305.9 mg/g。（4）环境温度也显著影响了生物炭胶体的释放行为，随着环境温度的升高，生物炭胶体的释放量减少。本项目的研究成果有利于完善人们对环境中生物炭流失过程的认识，从而更全面地了解生物炭在环境中的稳定性，为生物炭技术的应用实施风险最小化战略提供一定的科学依据。