功能化生物炭應用研究取得系列進展

土壤營養元素流失、重金屬污染是當前全球面臨的突出環境問題。生物炭因其具有比表面積較大、吸附性能高和成本低等優點而在環境修復領域日益受到廣泛關注，被作為水處理吸附劑、土壤修復改良劑廣泛應用於農業土壤改良和環境中重金屬的修復和鈍化。但通常情況下，與市場上所使用的活性碳相比，新製備的生物炭對污染物的吸附能力相對較低。此外，由於生物炭密度較低，顆粒度小，在污水處理過程中很難從水體中進行分離，施用於土壤後容易隨水遷移、下滲，從而可能造成環境二次污染，這大大限制了生物炭技術的推廣及應用。因此，研發低成本、高效率、環境友好型的功能化生物炭複合材料對水/土壤污染修復治理與改良具有非常重要的意義。

針對以上問題，中國科學院地球化學研究所環境地球化學國家重點實驗室李心清課題組副研究員王兵通過與美國佛羅里達大學教授高斌合作，開展了不同功能化生物炭改性技術研發及其在土壤/水環境污染修復治理及營養元素固持方面的研究，取得了一系列新認識和進展：

1、針對生物炭施用於土壤以後，可能存在老化的問題，研究人員採用雙氧水對生物炭進行連續氧化處理，開展了氧化生物炭對重金屬元素Pb的吸附固持機理研究。研究發現經表面氧化處理後，生物炭表面含氧官能團增加。通過pH值調節以後，氧化程度越高的生物炭在中性條件下對重金屬元素Pb的吸附能力越強，鈍化效果越明顯。表明氧化作用和pH值對生物炭對重金屬元素Pb的影響較大，該研究結果為生物炭應用於土壤重金屬污染修復治理提供了理論基礎。上述研究成果發表在Science of the Total Environment雜誌上。

2、研究人員採用生物炭與海藻酸鈉為原料，研發製備了海藻酸鈣-生物炭複合材料，該方法不僅有效解決了生物炭密度低、顆粒度小、易隨水遷移、下滲等問題，而且大幅提高了其對污染物的吸附能力。通過對水溶液中重金屬元素Cd的吸附研究發現，與生物炭自身對重金屬元素Cd的吸附能力相比，該複合材料對重金屬元素Cd的吸附能力大幅提高，最大吸附能力由40.0 mg/g提高到251.8 mg/g。上述研究成果發表在Journal of Environmental Management雜誌上。

3、為評估生物炭-海藻酸鈣複合材料在土壤水分、養分固持方面的應用潛力，研究人員針對該複合材料對土壤水分和營養元素K 和NO3-的固持和緩釋能力進行了研究，發現與海藻酸鈣微球相比，生物炭-海藻酸鈣複合材料在不同環境溫度下（20℃、30℃和50℃）對水分的固持能力都顯著高于海藻酸鈣微球本身，同時對營養元素具有較好的吸附固持和緩釋能力，表明生物炭的引入可以有效提高海藻酸鈣微球的持水能力和增強營養元素的固持緩釋作用，該研究結果為後續應用於土壤保水保肥（尤其是乾旱半乾旱地區）提供了很好的基礎。上述研究成果發表在Journal of Industrial and Engineering Chemistry雜誌上。

在以上研究工作的基礎上，研究人員對國內外不同生物炭的改性技術方法和應用以及海藻酸鹽基複合材料在環境修復治理應用方面的研究現狀進行了歸納總結，針對目前功能化生物炭改性技術方法和不同海藻酸鹽基複合材料及其優缺點分別進行了系統分析，對其製備方法、對不同污染物的吸附去除機理及其在環境中的應用進行了綜述，指明了生物炭改性技術方法和海藻酸鹽基複合材料未來在環境方面的應用發展方向，為該領域的發展提供了很好的借鑒。上述研究成果分別於2017年和2018年發表在Critical Reviews in Environmental Science and Technology雜誌上。

上述研究得到國家重點研發計劃項目（2016YFC0502602）、中科院公派出國留學計劃項目、貴州省高層次留學人才創新創業項目和環境地球化學國家重點實驗室開放課題的資助。

工程生物炭與環境可持續發展

來源：中國科學院地球化學研究所

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