3  生物炭对重金属的钝化

 

　　生物炭是土壤重金属修复研究中的一种重要材料。田间试验证明，小麦秸秆生物炭可有效固定土壤中的Cd和Pb。将稻秆和稻壳生物炭施入土壤，短期内可以有效钝化重金属。生物炭对重金属生物有效性的影响源于改变土壤pH，增加土壤有机质含量，改变土壤氧化还原状况及微生物群落组成等多种机制的协同作用，而生物炭对重金属的吸附机理主要有静电作用、离子交换、阳离子π键、沉淀反应等。

 

　　生物炭对重金属的钝化效果受到多因素的影响，如生物炭的来源、制备条件（温度、炭化时间等）、土壤性质、重金属种类及污染程度等。生物炭的表观性质在一定程度上决定了其对重金属的固定能力。不同原材料和热解温度会得到性质不同的生物炭，对土壤重金属的修复效果和机制也有差别。硬木在600℃时制得的生物炭对Cu和Zn的吸附量高于棉花秸秆450℃时制得的生物炭。将竹炭和水稻秸秆生物炭按不同比例施加到Cu、Pb、Zn、Cd污染土壤中，发现后者钝化效果更好。

 

　　3.2生物炭复合材料的研究

 

　　生物炭因其在高温裂解过程中部分基团损失、吸附后分离难等不足，已有学者开始研究将生物炭与其他材料复合或者进行化学改性，加强其吸附能力。主要有以下方法：

       1）用KOH、H2O2、O3、H2SO4/HNO3等改性生物炭，提高生物炭的比表面积，增加其表面官能团（如羧基），提高对污染物的固定能力；

       2）与磁性吸附剂（如纳米氧化铁、零价铁等）复合，可以赋予生物炭磁性，利于回收；

       3）结合纳米技术制备新型复合材料，提高生物炭的封存和处理能力；

       4）用化学修饰法将锰或镁氧化物、过磷酸钙等与生物炭复合，在生物炭表面添加一些能与污染物相互作用的基团，提高吸附效果。

 

　　Inyang等对比了甘蔗渣生物炭与经厌氧消化的甘蔗渣制备的生物炭对水中Pb2+的去除效果，发现后者对Pb2+的最大吸附量是前者的20倍。Agrafioti等分别将CaO溶液、FeO粉末、FeCl3溶液与稻壳、有机固体废弃物混合，用于As（V）的去除，发现其对As的去除率显著高于原始生物炭。Zhao等研究表明用生物炭与磷肥共热解后增加生物炭对重金属的固定率。

 

　　4  石灰对重金属的钝化

 

　　钙可与镉发生同晶替代作用。试验表明，施用生石灰处理在2年中可使糙米中镉含量降低至国家食品卫生标准限值（0.2mg/kg）以下。Pandit等研究发现施石灰能降低菠菜中镉的浓度。Tan等研究石灰钝化土壤后5种蔬菜（莴苣、大白菜、花椰菜等）体内含镉量的变化，发现其降低40%～50%。

 

　　施用石灰可降低土壤中有效态铜含量。铅污染土壤经石灰处理后，玉米对铅的吸收明显下降，其籽粒含铅量可达到国家食品卫生标准。吴烈善等在人工污染的黄色黏土中添加石灰处理，土壤Pb、Cu、Cd、Zn的稳定率可达98.5%～99.8%。石灰对铬（Cr6+）和汞（Hg2+）的吸附很稳定，施用6%石灰后，土壤能固定69%的Cr6+和63%的Hg2+。

 

　　石灰通过降低土壤中H+浓度，增加土壤颗粒表面负电荷，促进对重金属离子的吸附，降低重金属的迁移性。另外，石灰可改变重金属形态，促进金属碳酸盐形成，减少活性重金属的比例。

 

　　4.2石灰与其他材料配施的效果

 

　　2%石灰–烧石膏–木炭（质量比3∶1∶2）施用在湖南衡阳一土壤中，镉固定率达58.9%。2%天然腐熟牛粪+2%石灰组合施用，Pb、Cu、Cd、Zn稳定效率达95.9%～99.4%。石灰和有机肥复合施用使土壤中交换态Cd含量降低54.7%，远高于单独施用石灰的。Wang等在草甸土进行Cd的钝化实验，0.2%石灰+5%蛇纹石复配的效果最好，处理60d后有效态Cd含量降低29.1%。He等研究施用石灰、矿渣和甘蔗渣在第四纪红黏土的钝化效果，发现复合施用效果最佳，镉含量降低58.3%～70.9%，结合种植低Cd积累的水稻品种，可使糙米中的Cd含量降至污染物限度。

 

　　5  其他钝化剂对重金属的钝化

 

　　有机物料不仅提供植物养分，改良土壤，同时也是有效的土壤重金属吸附、络合剂，被广泛应用于土壤重金属污染修复中。有机物通过提升土壤pH、增加土壤阳离子交换量、形成难溶性金属–有机络合物等方式来降低土壤重金属的生物可利用性。目前常用的有机钝化剂主要包括植物秸秆、畜禽粪便、城市污泥和有机堆肥等。

 

　　紫云英施入农田中，土壤有效铜和镉的含量降低，同时降低了稻草和谷粒中铜和镉的含量。水稻秸秆和磷肥混施可降低土壤中重金属的植物有效性。水稻秸秆堆肥施用增加了农田土壤中重金属Zn、Cd和Pb的碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机质结合态和残渣态重金属的比例，也降低了农田土壤中重金属的生物有效性。

 

　　家禽粪便、生物固体等可增加土壤中溶解性有机质含量，并与重金属形成较稳定的金属–有机络合物，降低重金属的生物可利用性，特别是腐熟度较高的有机质可通过形成粘土–金属–有机质三元复合物增加重金属吸附量。施用猪粪后，稻麦两季表层土壤重金属Cu、Zn含量略有升高，静态环境容量均降低。家禽粪便、生物固体等使用后，可强烈地与Hg结合而固定之。在农田土壤中添加猪粪，可使土壤有效铜、镉显著降低，同时也极大降低稻草和谷粒中铜、镉的含量。

 

　　Hashimoto等研究了畜禽粪便对Pb淋溶的影响，发现畜禽粪便能显著降低土壤水溶态及可交换态Pb含量，促使其向残留态转化，降低其迁移和生物可利用性。张亚丽等向Cd污染土壤施加猪粪等有机物，也得到类似结果。施用15g/kg的粪肥和压滤泥浆均降低了土壤外源Ni的植物有效性。

 

　　腐熟堆肥施入土壤后可减少重金属的生物有效性，不但可以显著降低污染土壤中As、Cd、Pb、Zn等的生物有效态含量，还可显著降低植物对重金属的吸收。添加生物堆肥到铜污染土壤中，显著降低了CaCl2提取的铜含量，增加了土壤的pH值。

 

　　腐植酸能与重金属结合，也是土壤重金属的钝化剂。用腐植酸与膨润土（或过磷酸钙）处理Pb污染土壤，发现分别投加20%腐植酸与20%膨润土、10%腐植酸与6%过磷酸钙，固定40d后土壤中有效态铅含量均大幅降低。添加主要成分为腐殖酸的褐煤到铜污染土壤中，显著降低了土壤中CaCl2提取的铜含量。

 

　　5.2铁粉

 

　　纳米铁或含铁纳米材料在土壤重金属治理过程中也发挥着重要的作用。有研究者利用零价纳米铁降低污染土壤中Cd、Cr和Zn的有效性，发现其能明显提高金属的稳定性，对Cr的修复效果和稳定性很好。研究证实，有机堆肥配合铁砂等在钝化重金属污染物时表现出加和作用，可显著降低重金属的生物有效性，并可能超过无机钝化剂的单独作用。

 

　　纳米零价铁粉施于砷污染土壤中，能使砷由水溶态和吸附态向非晶质铁铝氧化物结合态和晶质铁铝氧化物态转化，其中水溶态和吸附态砷可减少70%和18%，而非晶质铁铝氧化物结合态和晶质铁铝氧化物态砷分别最大增加42%和51%，并显著降低三七中的砷含量。磷酸铁纳米材料可以显著降低土壤中水溶态、可交换态和碳酸盐结合态Cu含量，促使Cu向残渣态转化；铁纳米材料可显著降低土壤淋洗液中Cr含量。

 

　　纳米零价铁配合低分子量有机酸施用可增加农田土壤中铅的去除，0.2mol/L柠檬酸配合2.0g/L零价铁对农田土壤铅的去除效率能增加83%。生物炭负载纳米零价铁能有效固定土壤中铬，当施用8g/kg生物炭负载纳米零价铁于土壤中15d后，土壤中六价铬不可检出，进而降低铬在土壤–植物系统的转移。

 

　　6  结语

 

　　随着我国农田土壤重金属污染面积的增加，寻找切实可行的处置方法刻不容缓。从国内外的研究与实践来看，土壤重金属的化学钝化措施可以较好地固定重金属，降低重金属的活性和环境风险，但是该技术在实际应用中尚有一些亟待深入研究的问题。

 

　　（1）钝化与其他技术联用

 

　　钝化能使重金属的形态暂时改变，但并未从土壤中彻底根除。当外界条件改变时，固定的重金属还可能重新释放，导致二次污染。微生物修复技术利用微生物产生的硫化物等来固定土壤中重金属，具有持久性作用。此外，利用作物轮作–磷修复措施也可以较好地修复农田重金属污染。

 

　　（2）方案优选及钝化剂改性

 

　　污染土壤常是多种重金属共存的体系，同时地域、气候等环境因素对钝化剂的要求不完全相同。因此，必须结合每种重金属的性质来选择不同的钝化剂和修复措施。钝化剂改性可以根据不同重金属特性增强其钝化功能，形成广谱性多功能钝化材料。

 

　　（3）新型高效环保钝化剂研发

 

　　钝化剂包括人工合成的材料和天然材料，有些天然材料中含有重金属以及放射性物质，遗留在土壤环境中也会对环境造成一定的副作用，当它们累积到一定量时，这些材料的环境负效应就需要考虑了。因此在选用不同材料修复被重金属污染的土壤时，必须环境友好，同时要提高其修复效率。

 

　　（4）钝化机理与产物稳定性

 

　　钝化剂的性质是决定钝化重金属机理的主要因素。当前，宜对不同材料钝化重金属机制开展深入研究，为进一步的实践奠定理论基础。在所形成的重金属难溶物中，氢氧化物和碳酸盐的溶解度要大于磷酸盐沉淀物的溶解度，所以，利用重金属的溶解性选用不同的钝化剂和措施可以有效地降低重金属的生物活性，更多地将重金属离子转化为活性更低的难溶矿物，以达到更强的钝化效果。

 

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