生物炭、過磷酸鹽和碳納米管對污染土壤中重金屬鉛、銅的鈍化效果研究：可移動性和生物有效性.pdf

1、近年來，土壤重金屬污染已經(jīng)成為一個全球性環(huán)境問題。在中國，土壤重金屬污染日益嚴重，重金屬污染土壤的點位超標率已達16.1％。農(nóng)田土壤鉛(Pb)和銅(Cu)污染可能通過食物鏈轉移而對環(huán)境和健康形成嚴重的危險。研究利用有機和無機材料治理土壤污染已經(jīng)取得較大進展。在本研究中，通過室內(nèi)培養(yǎng)實驗和盆栽實驗，研究了稻草及其制得生物炭、過磷酸鈣、多壁碳納米管、熱解的和非熱解的蓖麻殘體對重金屬鉛/銅污染土壤的鈍化效果;重點考察了鈍化劑對植物生長、植物對

2、金屬的吸收、土壤溶液的金屬濃度、他們分布在不同的形態(tài)比例、金屬浸提特性、金屬生物有效性以及金屬流動性等方面的影響。研究結果可以為重金屬鉛/銅污染土壤鈍化固定修復提供科學依據(jù)和技術指導。
　　首先，研究了稻草(RS)及其衍生生物炭(BC)、多層碳納米管(MWCNT)和過磷酸鈣(SSP)鈍化固定鉛和銅復合污染土壤的效果，通過BCR順序提取、毒性特征瀝濾方法(TCLP)、單一試劑提取(CaCl2)和簡單生物有效性提取(SBET)等技術來

3、評價幾種材料的有效性。BCR順序提取結果表明:隨著BC和SSP用量的增加，弱酸溶解態(tài)重金屬（鉛和銅）含量降低而可氧化態(tài)和殘渣態(tài)重金屬（鉛和銅）比例顯著增加。與SSP相比，BC的添加降低了重金屬的生物有效性，鉛和銅主要是轉化為可還原態(tài)而被固定下來。與RS和MWCNT處理相比，BC處理中的TCLP和CaCl2提取的Pb/Cu均顯著下降;而添加RS之后生物可利用態(tài)Pb顯著減少。在Pb/Cu復合污染土壤中，SSP對于Pb的鈍化效果要更好，而對C

4、u則不然。總的來說，添加生物炭(BC)可以有效減少Pb/Cu復合污染土壤中重金屬的移動性和生物可利用度，從而固定有效地固定Pb和Cu。
　　在吸附實驗中，稻草制備生物炭和添加生物炭培養(yǎng)的土壤同時作為去除水溶液中鉛和銅的吸附劑。本研究通過批量吸附平衡法，評估生物炭(BC)和添加生物炭培養(yǎng)土壤(3％，6％ BC)對鉛和銅的吸附能力。等溫線的吸附數(shù)據(jù)使用Freundlich方程擬合，BC對Pb和Cu最大吸附量分別是31和32.4 mg

5、g-1。添加3％BC培養(yǎng)土壤對Pb和Cu最大吸附量分別是3.9和4.03 mg g-1，添加6％BC培養(yǎng)土壤對Pb和Cu最大吸附量分別是4.3 and4.1 mg g-1。生物炭的摻入顯著增加了土壤對鉛和銅的吸附，而且其吸附量隨著生物炭的添加量增加而增加;其吸附量也隨著溶液的初始pH值增加而增加。生物炭去除金屬的原因可能是是由于金屬與離子化的O-絡合作用，而且有可能伴隨著金屬與生物炭中的CO32-/PO43-產(chǎn)生沉淀。本研究結果表明稻草

6、制各生物炭可以作為有效的吸附劑，但是它處理不同廢液的能力需要基于不同重金屬的種類而評價。
　　同時進行的植物生長試驗，是為了研究生物炭(BC)、稻草(RS)、多層碳納米管(MWCNT)和過磷酸鈣(SSP)對復合污染土壤中Pb/Cu的鈍化效果，通過BCR順序提取和TCLP提取探討其化學形態(tài)變化，通過種植油菜（Brassica napus L.）來評價其對重金屬生物有效性的影響。而且，通過再次種植番茄（Lycopersiconescu

7、lentum）來評價修復劑的殘留效應。結果表明，BC是所有修復劑中最有效的，它顯著得改變了Pb/Cu的形態(tài):將有弱酸溶解態(tài)轉變?yōu)榈蜕锢脩B(tài)的殘渣態(tài)，從而增強了其地球化學穩(wěn)定性。添加6％BC減少了油菜和番茄對Pb/Cu吸收和積累。與對照相比，6％BC的添加分別降低了油菜地上部和根部中46％、36％的Pb和77％、58％的Cu;6％BC的添加也分別降低了油菜地上部和根部中36％、66％的Pb和29％、61％的Cu。第二次種植植物番茄是，6

8、％BC的添加使得番茄中的金屬濃度低于世界衛(wèi)生組織(WHO)設定的安全值。SSP降低TCLP-Pb的濃度到0.2 mg L-1，這遠低于臨界極限值(5 mg L-1)。MWCNT對固定土壤中鉛和銅效果不理想，這可能是因為土壤pH值較低且用量太少。生物炭可以對增加鉛和銅的固定，同時有降低兩種種植模式中重金屬的生物利用度和環(huán)境風險的潛力。SSP對Pb的固定更為有效，但是銅生物可利用度隨著增加的SSP而增加。應該謹慎地評價SSP對復合污染土壤中

9、的銅的修復作用。
　　補充試驗是評價組合稻草(RS)、稻草準備的生物炭(BC)、多層碳納米管(MWCNT)和過磷酸鈣(SSP)對復合污染土壤中Pb/Cu的鈍化效果，通過BCR順序提取、TCLP提取和種植油菜（Brassica napus L.）等來探討重金屬化學形態(tài)。結果表明，BC+MWCNT是所有的修復劑組合中最好的，它顯著地改變了Pb/Cu的形態(tài):將有弱酸溶解態(tài)轉變?yōu)榈蜕锒拘缘臍堅鼞B(tài)，從而增強了其在酸性土壤中的地球化學穩(wěn)定性

10、。BC+MWCNT的添加分別降低了油菜地上部和根部中86.3％、44.9％的Pb和61.2％、57.6％的Cu，同時顯著地增加了油菜葉綠素和可溶性蛋白質的含量。這些植物可食用部分的金屬濃度是在正常范圍內(nèi)。然而，BC+SSP組合對Pb固定效果要比對Cu好。應該謹慎地評價SSP對復合污染土壤中的銅的修復作用。因此，BC和MWCNT混合施用可以通過降低植物對重金屬的吸收而降低復合污染土壤中Pb/Cu的危害。
　　此試驗是評價熱解的和非熱

11、解的稻草、蓖麻秸稈對復合污染土壤中Pb/Cu的固定效果以及對其形態(tài)轉化的影響。結果顯示，熱解的得到的生物炭鈍化復合污染土壤中Pb/Cu的效果要比非熱解的植物秸稈要好。與對照相比，蓖麻葉生物炭(CLB)、蓖麻莖生物炭(CSB)和稻草生物炭(RSB)的添加分別顯著降低了49.8％，31.1％和31.9％的弱酸溶解態(tài)Pb，同時分別顯著降低了15.8％，11.5％和12％弱酸溶解態(tài)Cu。與對照相比和非熱解的植物秸稈處理相比，熱解得到的生物炭顯著

12、地改變了Pb/Cu的形態(tài):將有弱酸溶解態(tài)轉變?yōu)榈蜕镉行缘臍堅鼞B(tài)，從而增強了其在酸性土壤中的地球化學穩(wěn)定性。此外，添加生物炭顯著增加了土壤pH值。與對照相比，添加蓖麻葉生物炭(CLB)處理降低了TCLP提取的Pb和Cu，分別降低29.22％-41.41％和5.7％-22.88％。重金屬鉛和銅固定性、可提取性與土壤pH值密切相關。生物炭對Pb/Cu復合污染土壤中Pb固定化的效果要比銅好。所有熱解生物炭中，蓖麻葉生物炭(CLB)對復合污染