生物炭与土壤混合体系中重金属运移与固定机制研究

Heavy metal pollution in soil is an important issue facing the world. Modified biochar has good pore structure and high chemical activity, and it is considered as a good prospect in the treatment of heavy metal pollution. Therefore, a new modification methods have been proposed, and it is used in repairing heavy metal contaminated soil with modified biochar. Firstly effect of modified biochar added to soil on the speciation and migration process of heavy metal in a biochar and soil mixing system are investigated in depth. In addition, the intrinsic relationship between the surface physical and chemical properties of modified biochar and immobilization mechanism of heavy metal is revealed. And then a mass transfer path of heavy metals in the mixed system will be presented, so the migration process and immobilization mechanism of heavy metal in this biochar and soil mixing system will be identified. Finally a migration model of heavy metal in multiphase complex system is established by theoretical models combined with experimental verification, and guide optimization of process parameters. The research achievements of this project could provide scientific basis and theoretical foundation for practical application of biochar repairing heavy metal contaminated soil and its high value utilization, and it shows important significance to improve development and utilization of contaminated soil.

土壤重金属污染是世界各国面临的一项重要课题，生物炭改性技术克服了其自身比表面积较低、化学活性不高等缺点，在重金属污染土壤的修复中具有广阔的应用前景。本项目提出“一体化”改性生物炭吸附固定土壤中重金属的新思路，探索改性生物炭对重金属赋存形态和运移过程的影响规律，研究改性生物炭理化特性对重金属固定过程的作用机制，解析重金属在土壤生物炭混合体系中传质路径，揭示生物炭与土壤构成的多相复杂体系中重金属的运移与固定机制。在此基础上结合理论模型和实验验证，优化工艺参数，建立生物炭土壤混合介质中重金属运移模型，从而全面掌握生物炭对重金属污染土壤修复机理，为生物炭治理与修复重金属污染土壤的应用推广提供重要的科学依据和理论基础，对改善和提高污染土壤资源开发利用具有重要的现实意义。

本项目以农林废弃物毛竹制得的生物炭和重金属污染土壤为研究对象，深入研究不同环境条件下生物炭土壤混合介质中重金属的迁移机理和固定机制等问题。主要包括以下几方面内容：（1）生物质炭的添加对土壤理化性质的影响。通过生物质炭的吸水性实验研究发现，生物质炭的加入对土壤的理化性质，特别是持水性有比较明显的影响。实验结果表明，加入生物质炭后，土壤的平衡含水率增加了约0.16%-2.52%。土壤-生物炭混合体系的有机质含量、C/N比、羟基官能团等得到了一定的提高，而体积密度、氧含量、羧基官能团等有微小的下降。结论表明，通过施加生物质炭，土壤的理化性质（持水性、保肥性）得到了明显的改善。（2）基于重金属吸附实验的高吸附性能改性生物质炭的优选。在最优制备条件下制得的改性毛竹生物炭，最大镉离子吸附容量达到了238.71mg/g (单位质量吸附剂吸附重金属镉离子的质量)，是改性前毛竹生物炭最大吸附容量（23.24mg/g）的10倍，是椰壳商业活性炭最大吸附容量（58.18mg/g）的4倍。（3）基于理论模型的重金属迁移机理及预报。建立生物炭土壤混合介质中重金属耦合运移模型，较为准确地对重金属的迁移进行预测。土壤颗粒对离子的亲和力大小关系遵循以下规律：Na+ < Mg2+ < K+ < Ca2+ < Cd2+。表层土壤层较高的阳离子交换量和有机质含量对Cd2+的纵向迁移具有明显的阻滞作用。模拟结果表明，当较低浓度（<40 mg/L）的Cd2+进入后，只有表层土壤（0~0.4m）具有镉离子污染的风险。（4）多相复杂体系中生物炭对重金属固定机制研究。土壤中的重金属Cd和Cu通过与生物炭及生物炭表面负载的磷基团发生静电吸附、阳离子交换、沉淀、络合及位点竞争等一系列复杂的反应，最终从植物可吸收的离子形态及不稳定的碳酸盐结合形态转化成较稳定的金属螯合态以及非常稳定的硅酸盐结合态，从而避免了被植物所吸收。通过土壤的-磷改性生物炭的长期培养实验研究发现，生物炭对土壤重金属的固定效果稳定，从而证明了磷改性生物质炭可以作为一种经济高效稳定的土壤修复剂。