【原創】生物炭的「吸金大法」

　　土壤重金屬汙染是一個全球性的環境問題。據2014年《全國土壤汙染狀調查公報》顯示，全國土壤無機汙染物的超標點位數佔全部超標點位數的82. 8%，主要的無機汙染物元素為鎘、鎳、砷、銅、汞、鉛、鉻和鋅，其點位超標率分別為7. 0%、4. 8%、2. 7%、2. 1%、1. 6%、1. 5%、1. 1% 和0. 9%。土壤重金屬會通過作物吸收和食物鏈傳播等方式危害人體健康，因此，土壤重金屬的修復與治理成為保證我國糧食安全的重要策略。土壤重金屬的固化穩定化技術具有成本較低，操作簡單，見效快，適合大面積推廣的優勢，在土壤重金屬治理中具有不可替代的作用。

　　生物炭是生物質能原料(包括植物根莖、作物秸稈、木屑、動物骨頭、動物糞便等有機垃圾)經熱裂解之後得到的一種富碳物質，具有比表面積大、陽離子交換量高、官能團豐富、化學和生物學穩定性高等特點，能有效降低土壤中重金屬的遷移性和生物有效性，是當前土壤重金屬修復領域的研究熱點之一。

　　生物炭之所以能有效「降」住土壤中的重金屬，在於它具有多種本領，主要包括陽離子–π作用、離子交換、絡合反應、共沉澱反應、氧化還原作用和靜電吸附等。

　　陽離子–π作用

　　陽離子–π作用的通式為：

　　C–π + 2H₂O → C–π–H₃O⁺ + OH^–；C–π–H₃O⁺ + M → C–π–M + H₃O⁺ (M代表重金屬)。 

　　陽離子–π作用強度受生物炭表面芳香化程度的影響，π共軛芳香結構越豐富，電子供給能力越強。生物炭的芳香程度隨裂解溫度的升高而增強，當裂解溫度>500 ℃時，生物炭的π共軛芳香結構更為豐富。

　　離子交換

　　生物炭表面存在大量羥基、羧基等酸性官能團，這些官能團可提供H+與重金屬離子進行離子交換。離子交換的本質為生物炭表面帶負電荷基團與帶正電荷的金屬離子發生靜電作用，屬於非專性吸附，吸附能力較低。該反應通式可表達為：

　　2Surf–OH + M²⁺ → (Surf–O) ₂M + 2H⁺  (與表面酸性官能團交換，M代表重金屬)； 

　　2Surf–ONa + M²⁺ → (Surf–O) ₂M + 2Na⁺ （與表面鹽基離子交換，M代表重金屬)。 

　　絡合作用

　　生物炭表面富含的羧基、磷醯基、羥基、硫酸酯基、氨基和醯胺基，它們中的氫、氮、氧、磷、硫可作為配位原子與重金屬離子配位絡合，其中參與表面絡合的官能團主要是含氧官能團，尤其是羧基和酚羥基，其反應通式可表達為：

　　Surf–OH + M²⁺ + H₂O → Surf–OM^– + H₃O⁺ （M代表重金屬）； 

　　Surf–COOH+M²⁺ +H₂O→Surf–COOM^– +H₃O⁺ （M代表重金屬）。 

　　共沉澱作用

　　生物炭中的K+、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2–、PO₄^3–、CO₃^2–等礦物質成分可與重金屬離子結合形成鹽沉澱物，降低重金屬遷移性。例如：Cl^–、OH^–、CO₃^2–、SO₄^2–、PO₄^3–等陰離子可與Pb²⁺ 生成PbCO₃、Pb5(PO₄)₃OH 等沉澱，與Cd²⁺生成Cd₃(PO4)2、CdCO₃沉澱。

　　靜電吸附

　　靜電吸附在生物炭吸附重金屬機理中佔比小於化學沉澱。與生物炭發生靜電吸附的重金屬離子受到環境pH值的影響。當介質pH大於生物炭的零電荷點時，生物炭表面攜帶負電荷，可與帶正電荷的重金屬發生靜電吸附作用; 當介質pH小於生物炭的零電荷點時，生物炭則與帶負電荷的重金屬發生靜電吸附作用，具體反應機制為生物炭表面的羧基、羥基等官能團與H+發生質子化作用，形成帶正電的官能團–OH₂⁺、–COOH₂⁺，它們再通過靜電作用與帶負電荷的重金屬結合。氧化還原作用

　　生物炭還可通過影響土壤氧化還原電位來改變重金屬的溶解度和價態，使其發生沉澱或降低其生物毒性。例如，在Cr汙染土壤中添加生物炭可將Cr(Ⅵ) 還原為Cr(Ⅲ)降低Cr的生物毒性。

　　正是由於生物炭具有以上「吸金大法」，因此成為一種在重金屬治理方面具有巨大潛力的新型有機吸附材料。而且，生物炭的廣泛應用還有望解決我國工農業廢棄物資源化再利用問題。

　　作者：李雄 中國科學院昆明植物研究所