生物炭的环境吸附行为及在土壤重金属镉污染治理中的应用分析

2017-04-14赵彩梅

山西农经 2017年10期

关键词：钝化剂官能团极性

□赵彩梅

(文水县农业委员会山西吕梁 032100)

生物炭的环境吸附行为及在土壤重金属镉污染治理中的应用分析

□赵彩梅

(文水县农业委员会山西吕梁 032100)

随着Cd污染治理过程中问题的不断出现，炭材料与钝化剂的联合应用而生。为此，本文研究了生物炭的吸附性能及其环境行为，并分析了生物炭对镉污染土壤的修复效应，为生物炭在重金属Cd的防治提供了一定的理论依据。

重金属；镉污染；生物炭；土壤修复

1 生物炭吸附性能及环境行为研究

1.1 炭材料的“极性”和“非极性”性质

炭材料的官能团有酸性和碱性两种，其中酸性的官能团具有极性，官能团越多对极性物质就有着越强的吸附性，另一种具有非极性，官能团数量多对于吸附极性较弱或者非极性的物质有利。吸附性能还与炭材料的制作材料有关，这是由于不同的材料制得的产品密度不同，官能团的数量也不同，这便影响到炭材料的极性。此外，炭化温度也会影响官能团的密度，炭化的温度越高，材料中的氧含量越低，炭材料便会从软质变为硬质，吸附性能也因此而改变。其中，对于有机污染物软炭的吸附性能主要是集中于线性分配，硬炭则是非线性表面吸附。

1.2 炭材料结构和性质对Cd2+吸附过程的影响

炭材料对Cd2+的吸附是一个物理过程和化学过程均有涉及的复杂过程。其中，物理吸附过程主要分为两个阶段，在浓度较低时是一种简单的表面吸附，随着浓度的不断升高逐渐转化为多层吸附，在不同空隙结构的炭材料中，Cd2+扩散速率不同，且物理吸附的性能不是特别好，在某些条件下Cd2+还是会扩散出来；化学吸附则是一个相对稳定的吸附过程，它是利用炭材料的不同官能团的吸附作用，官能团数量越多，对阳离子的吸附性能越好。

1.3 影响不同炭材料吸附性能的因素

在活性炭的制作加工过程中，往往要对其进行改性从而获得较大的比表面积，然而可能会降低Cd2+的饱和吸附量。类似于草本生物炭等物质尽管其比表面积不是很大，但其Cd2+的饱和吸附量很高。在实际过程中，我们要兼顾比表面积和单位面积吸附效率两个因素，如果盲目地增大比表面积，会增加投入的成本。生物炭的来源广泛，制作成本较低，并且对Cd2+有较强的吸附能力，因此在镉污染的治理方面更有优势。

2 生物炭对镉污染土壤修复效应的研究

2.1 生物炭对受污土壤中锡賦存形态的影晌

从长远来看，在弱酸环境下的镉污染农田中，生物炭的添加会使提取态镉的含量明显下降，且这一效果在高浓度下的镉污染中更为明显，而如果将其与钝化剂共同使用的话会有更好的效果，提取态镉的降低量将多余仅使用生物炭时10%。这便为实际工作中镉的短期活化以及长期钝化等提供了理论基础。我们可以玉米田中施加生物炭，使镉活化，再通过灌水、排水的方式将可溶态的镉排除；或者直接用弱酸性液体冲洗土壤，将溶于弱酸的镉收集后处理。

2.2 钝化剂和生物炭联用体系的投加方式

相比于B-CSSH改性后的生物炭，在生物炭中添加B-CSSH的镉钝化效果要远远好于前者。这可能是由于在生物炭的改性过程中，吸附了一定量的B-CSSH，从而大大降低了生物炭的吸附能力。此外也可能是由于改性过程中改变了生物炭中硬炭与软炭的比例，从而使B-CSSH对Cd的钝化作用减弱。所以在实际过程中，我们应采用先添加生物炭，后添加钝化剂的方法，保证优良的吸附性能。

2.3 以生物炭为核心的玉米田Cd污染治理体系的研究

我们构建的以生物炭为核心的钝化体系在镉污染土地整治中发挥了良好的作用。在土壤中，Cd主要是以弱酸提取态或者是残渣态存在，不同成分的钝化体系对Cd的转化能力也不同。这是由于钝化剂的含量在很大程度上决定了钝化体系的性能，要根据不同的Cd浓度选取恰当的钝化体系。钝化体系中的生物炭的吸附性能主要是由于官能团的配位原子具有络合能力，可以改变土壤的PH值、有机质含量等，从而改变土壤对Cd的吸附能力。