活性官能团导向的芦苇生物炭对富硒耕地中复合重金属吸附行为的调控机制研究

Biochar as soil conditioner, adsorbent has become a hot topic of both at home and abroad, but for improving cultivated land of selenium-enriched, the question of the environmental stability and how to reduce the potential risks of associated heavy metals must be considered in development and utilization of cultivated land of selenium-enriched resources. Taking reed biochar oriented agent of different structure and associated heavy metals in the cultivated land of selenium-enriched of Jiangxi as research object in the project, with a variety of modern analytical techniques such as XRD、SEM/EDX、XPS、FTIR、BET, using the methods of quantum chemistry, FTIR-Microcalorimetric, NICA-Donnan, IAS-LCA, and PLSR, to explore the selective adsorption ability for multiple heavy metal of Se, Pb, Cd, Cr and As by reed biochar oriented agent of different structure, to reveal the content distribution of the main active functional groups in reed biochar surface oriented agent of different structure and their contribution to adsorption of multiple heavy metal ions, to clarify the control mechanisms of surface structure change of reed biochar oriented agent of different structure on sorption behaviors of multiple heavy metal. The research results will provide the technical support for development of modified biological environmental materials having strong environmental sustainability, efficient and cheap, and provide a new way and ideas for the selective separation of associated heavy metals in acidic cultivated land of selenium-enriched improvement by biochar oriented structure.

生物炭作为土壤改良剂、吸附剂已成为国内外关注的热点，但在改良富硒耕地时，其环境稳定性和如何降低伴生重金属潜在风险是富硒耕地资源开发利用中必须考虑的问题。本项目以江西富硒耕地伴生复合重金属和不同结构剂导向的芦苇生物炭为研究对象，采用XRD、SEM/EDX、XPS、FTIR、BET等多种现代分析手段，运用量子化学、FTIR-微量吸附量热、NICA-Donnan、IAS-LCA 和PLSR法等方法，探索不同结构剂导向的芦苇生物炭对Se、Pb、Cd、Cr和As等复合重金属的选择吸附能力；揭示不同结构剂导向的芦苇生物炭表面主要活性官能团含量分布及对复合重金属离子的吸附贡献；阐明不同结构剂导向的芦苇生物炭表面结构变化对复合重金属吸附行为的调控机制。该成果将为研制环境稳定性强和廉价高效的改性生物环境材料提供技术支持，为结构导向的生物炭改良富硒酸性耕地时对伴生重金属的选择分离提供新的思路和途径。

生物炭作为土壤改良剂、吸附剂已为国内外关注的热点。然而，环境污染常呈现多种重金属并存的复合污染，甚至还有有机污染物，加之各类重金属的外层电子结构不同、化学性质差异较大，导致了改性生物炭对各类重金属离子的吸附能力表现差异，而这些差异的存在是进一步研究生物炭表面功能改性技术的切入点。富硒耕地土壤在当今资源环境恶化情况下不仅是稀缺的土地资源，也是培育和种植天然富硒农产品的宝贵资源，然而，全国有些富硒耕地区还有 Hg、Pb、Cd等伴生重金属严重超标现象，这大大限制了富硒耕地资源的利用与富硒农产品开发。因此，本项目主要以湿地植物芦苇作为制备生物炭的材料，以不同结构剂导向的芦苇生物炭和江西富硒土壤中的复合重金属为研究对象，同时也探索了其它生物炭的作用，主要在以下几个方面展开了研究：（1）活性官能团导向的芦苇生物炭吸附Se的优化条件及吸附前后表面微观结构变化的机制研究；（2）竹炭吸附氮磷优化条件及其在富硒土壤改良中的应用研究；（3）富硒土壤中植物的生长响应机制及调控等研究。得出主要的重要成果有：（1）明确了活性官能团导向的芦苇生物炭吸附Se的最佳优化条件；（2）探索了Se吸附前后芦苇生物炭的表面结构变化和解释了活性官能团导向前后芦苇生物炭吸附Se的微观分子机制；（3）摸清了江西富硒土壤的基本理化性状和探索了竹炭对富硒土壤的改良效应；（4）了解了生长于江西富硒耕地中植物对Se的响应及调控机制。项目成果的科学意义有：（1）对活性官能团导向的芦苇生物炭吸附富硒耕地中伴生重金属机制的进一步研究提供科学理论依据；（2）对活性官能团导向的芦苇生物炭应用于江西富硒土壤中的调控研究，并探索其中试阶段的实际应用研究具有重要的现实意义；（3）对推动鄱阳湖湿地植物的资源化及循环利用的研究提供了新的途径与方法。