改性生物炭固定土壤中重金属机理的研究进展.pdf
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1、第 卷第 期 年 月应 用 化 工 .收稿日期:修改稿日期:基金项目:年西藏自治区科技计划中央引导地方项目()中央财政支持地方高校发展专项资金项目(年 号 年 号)年西藏自治区科技计划重点研发计划项目()山西省研究生创新项目()作者简介:毛纪鹏()男山西临汾人在读硕士师从晋日亚教授从事固体废物资源化利用研究 电话:.通信作者:晋日亚()男教授博士从事二氧化氯消毒技术、土壤污染修复研究 :.改性生物炭固定土壤中重金属机理的研究进展毛纪鹏乔怡娜熊健贾梦晔刘娇琴贺增弟晋日亚张晶晶(.中北大学 环境与安全工程学院山西 太原.西藏大学 生态环境学院西藏 拉萨)摘 要:固定化是一种降低土壤重金属毒性的有效
2、方法改性生物炭固定重金属的能力已取得了显著成果其在土壤修复中得到广泛关注 但改性生物炭在污染土壤中固定重金属的综合机理需进一步探究因此运用 数据分析软件以氧阴离子型重金属 和阳离子型重金属 为例对改性生物炭固定土壤中重金属的机理进行分析综述了其氧化还原、表面共沉淀、络合、离子交换及静电吸引的作用机制 对改性生物炭增强固定土壤重金属不同机理的原因和方法进行总结对其处理土壤重金属污染的前景进行了展望为改性生物炭治理土壤重金属污染的应用提供参考关键词:改性生物炭土壤固定机理中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:重金属具有很高的迁移率和不可生物降解性城市快速发展、采矿作业影响、合成农药长
3、期使用、废弃物和废水的不当倾倒使得金属和类金属在土壤中的污染迅速积累而不是衰减导致重金属进入食物链对人类健康构成威胁 在碳达峰、碳中和及可持续发展的时代大背景下生物炭作为环境修复和固碳材料成为当前处理土壤重金属污染的有效技术之一生物炭是由农业废弃物、动物生物质或污泥等固体废物为原料在缺氧条件中通过热化学转化或热解制备而成的一种高度芳香化、富含碳元素的固体材料 由于污染土壤环境的复杂性和重金属的多样性原始生物炭的多孔结构、阳离子交换容量、表面电荷和官能团等性质的差异限制了其固定重金属的能力 为提高生物炭固定效率和满足治理污染的需求需对原始生物炭进行改性处理且改性方法随着目标污染物的变换而改变 改
4、性生物炭通过金属盐或金属氧化物、酸、碱和有机化合物改性制备而成改性处理能够改变生物炭的比表面积、氧化还原活性、官能团丰度等性能在固定土壤重金属中表现出巨大的应用潜力 因水环境和土壤环境不同导致的固定机理存在差异因此研究改性生物炭固定土壤中重金属的机理对改性方法的选择和实际土壤重金属污染处理具有重第 期毛纪鹏等:改性生物炭固定土壤中重金属机理的研究进展要意义采用 分析目前改性生物炭领域的研究热点 以 和 作为氧阴离子型和阳离子型重金属的典型代表综述改性生物炭固定土壤中重金属机理分析改性生物炭如何增强其对土壤中重金属的作用机制为改性生物炭固定土壤中重金属的研究提供理论基础 数据采集和分析方法.文献
5、计量分析工具(版本:.)是一种广泛应用于文献计量分析和可视化的统计分析工具 该软件基于 环境由陈超美教授及其团队开发 基于作者、共词、聚类分析功能 可以对作者、国家、机构、集群、类别、关键词等合作网络进行批判性分析把握研究热点探索改性生物炭研究的前沿和新趋势 在可视化图谱中每个节点代表一个项目(例如作者、关键词或机构)节点以不同的大小表示并由线连接 节点颜色的深浅代表各项目的频率线的粗细表示两个节点之间的相关强度.数据收集和处理用于测量和统计分析的所有数据均来自 ()核心数据库该数据库记录了最具代表性的文章 在数据采集过程中使用“”、“”和“”作为关键词数据筛选时将数据采集周期限制在“年”收集
6、英文文献标题、关键词、摘要中出现以上三个关键词的数据 为保证数据处理后的有效性对 于 改 性 生 物 炭 相 关 的 同 义 词 如“镉”和“”、“”和“”等进行人工合并.关键词图谱分析关键词图谱分析可以更精确反映改性生物炭在固定重金属污染方面研究的前沿、热点和未来趋势 其中一个节点代表一个关键词节点的大小与关键词出现的频率呈正相关 近 年的关键词共现图谱表明改性生物炭在修复重金属污染领域的研究日益深入可划分为四个研究课题包括“生物炭的生产工艺”、“染料和抗生素废水的处理”、“重金属在废水中的固定机理”和“污染土壤中重金属的固定机理”见图 通过图谱对近 年的趋势分析得知改性生物炭在污染土壤中固
7、定重金属的机理成为研究热点图 年改性生物炭研究关键词共现图谱.改性生物炭对重金属污染土壤的固定机理目前此领域所用到的改性方法分为 种即物理改性、化学改性和生物改性物理改性为气体吹扫和水蒸气气化改性化学改性有酸、碱、氧化和金属盐或金属氧化物等改性生物改性一般为负载微生物改性在固定重金属方面主要用到的改性方法为化学改性生物炭固定重金属的主要机理可分为以下 种:氧化还原、络合、表面共沉淀、离子交换和静电吸引机理 氧化还原机理主要是依靠生物炭的芳香结构和石墨烯部分作为电子穿梭促进电子转移通过含氧官能团(如羟基、羧基及酚羟基等)和与生物炭共轭结构相关的官能团转移电子来氧化()或降低()络合过程中重金属的
8、 轨道与羧酸、酚醛、羟基、羰基或醌等有机官能团(如、和)络合生成具有独特金属配体的多原子配合物 表面共沉淀表现为重金属离子与酸根离子、矿物离子等混合在生物炭基质中形成沉淀 一般来说离子交换包括表面离子被金属离子取代当 值较低应用化工第 卷时表面官能团电离、等表面离子会与金属离子发生交换 静电吸引取决于环境介质的 值与生物炭零电荷点()的关系 时生物炭表面带有负电荷并与阳离子型重金属产生静电吸引 时生物炭表面带有正电荷并与阳离子型重金属产生静电排斥根据改性方法和重金属类型的不同生物炭在污染土壤中固定重金属的主导机理会有较大差别 砷()属于典型的氧阴离子型重金属被美国毒物和疾病登记署列为危险污染物
9、排名第一在土壤中砷()主要以无机物的形式存在且()比()更具流动性和毒性对于 这类氧阴离子型重金属其在土壤中的固定机理为依靠氧化还原降低其毒性随后利用沉淀和络合作用进行固定以降低危害和生物有效性 镉()属于典型的阳离子型重金属因其剧毒性被欧盟列为高危害和致癌物质 这类阳离子型重金属依靠沉淀、络合、离子交换和静电吸引来固定.氧化还原机理生物炭的氧化还原特性介导了 ()和()之间的转化但原始生物炭对()的氧化仍是低效的 大多数生物炭表面以负电荷为主限制了生物炭对 的固定效率 在生物炭上负载金属氧化物可以提高生物炭表面的正电性从而提高对带负电荷元素的亲和力 研究表明在生物炭上负载具有氧化还原活性的金
10、属(如铁、锰或它们的混合物)时其电子交换容量可得到较大幅度的提高 等用纳米零价铁()制备纳米零价铁包埋生物炭(/)修复矿用 污染土壤/使两种矿用污染土壤中()萃取态的 降低了.以上 在土壤 固定化过程中 分析表明生物炭表面存在的 中 被腐蚀氧化形成纤铁矿()与以往不同的是随着 的氧化会有部分()被还原为()对于还原反应的发生 等的实验研究证实了还原机制也有助于 的固定 等利用化学共沉淀法制备了锰改性生物炭()来增强对亚砷酸盐的同时氧化和固定结果表明在热解温度为 、()()、.的条件下 对()的固定量可达./氧化能力主要归因于负载后生物炭表面()含量丰富具有较高的氧化活性 ()和 ()的还原导致
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