|
老化作用对生物炭吸附重金属离子的促进作用主要表现在3 个方面：①表面含氧官能团（如羟基、酚羟基等）的增加为生物炭与重金属离子（如Zn2+）之间提供了更多的络合位点，使其与重金属离子之间的络合能力增强，从而使生物炭对重金属离子的吸附量增加；②表面负电荷的增强使得重金属离子（如Cu2+）与生物炭表面之间静电吸附作用增强，从而促进生物炭对重金属离子的吸附；③CEC 含量增加可能使生物炭表面可交换活性位点增多，从而促进其与水溶液中重金属离子的结合，进而使生物炭对重金属离子吸附量增加。 生物炭老化对重金属离子吸附的抑制作用主要为：①比表面积和pH 的降低会导致生物炭对重金属离子（如Pb2+）的吸附量降低；②生物炭表面酚羟基和芳香醚含量增加而羧基数量减少，老化形成的酸性条件下含氧官能团难以解离，从而使得CEC 含量降低，进而导致重金属离子在生物炭上的吸附受到抑制；③在老化形成的酸性条件下，一些重金属离子发生还原反应并以沉淀物形式存在，从而使生物炭对其吸附量降低。如在酸性条件下Cr6+直接或间接还原为Cr3+，使Cr3+主要以沉淀物Cr（OH）3 或共沉淀物FexCr（1-x）OH3 的形式存在有关。 氧化参数（主要是氧化剂浓度、氧化时间和温度）影响老化生物炭的理化特性，进而影响其对重金属的吸附量。如 Fri?tak 等利用过氧化氢法并结合响应面法的Box-Behnken 设计来优化生物炭老化过程，其结果显示氧化剂浓度是影响生物炭吸附Cu2+ 的关键因素，并随着氧化剂浓度的增加生物炭对铜的吸附量降低。在氧化时间方面，短期老化（≤60 d）使得生物炭比表面积和pH 的降低会导致生物炭对Pb2+ 吸附量降低；而长期氧化（>60 d）使得生物炭表面含氧官能团（如羧基和羟基）和CEC 增加，从而为Pb2+提供更多络合位点及阳离子交换容量，进而增加生物炭对Pb2+吸附量。此外，Wang 等研究表明，老化生物炭的比表面积和pH 值随着氧化温度（4～45 ℃）增加而降低，因而氧化温度为45 ℃时生物炭对Cu2+ 的吸附量最低。综上，老化作用对生物炭吸附重金属离子既有促进作用又有抑制作用，但何种情况下产生促进作用？何种情况下产生抑制作用？需待进一步研究。 3 总结及展望 生物炭施入重金属污染土壤在固持土壤重金属和降低其生态毒性方面具有良好的效果。然而，生物炭施入土壤将不可避免地受到化学、物理及生物的作用而发生老化现象，且老化后的特性变化会进一步影响其对重金属的固持能力。大量研究表明老化过程使得生物炭表面形貌、孔隙结构、比表面积、含氧官能团及元素组成等发生改变，从而使其对重金属固持产生抑制作用或促进作用。尽管有关生物老化的机理及其对重金属固持的研究已取得一些重要科学进展，但仍有一些关键问题尚待解决，需开展以下几个方面的研究： （1）老化生物炭特性变化与其母源物质及热解温度之间相互关系尚不清楚，因而需要进一步研究两者之间的关联性，进而了解老化进程中生物炭与污染物相互作用的变化规律。 （2）鉴于现有研究对物理、化学及生物老化的协同作用机制及贡献率尚不清楚，因而后期应针对该内容进一步研究。 （3）目前关于老化作用对生物炭吸附重金属既有抑制作用又有促进作用，到底什么情况下起促进作用？什么情况下起抑制作用？这一点目前尚未明确，因而有待进一步研究。 （4）鉴于目前大多数研究是针对老化作用对生物炭吸附单一重金属的影响机制，但在自然环境中往往是多种重金属同时存在。多种重金属共存会存在吸附竞争机制，老化作用会对该机制有什么样的影响， 这一点目前尚不清楚，有待后期进行深入研究。 （5）目前研究者主要是静态终端地描述老化生物炭特性，这无法有效评估生物炭在其生命周期内环境效应的动态变化过程，因而需要建立一种长期、动态示踪老化生物炭特性的方法。 （编辑：Nicolas） |
