【技术前沿】生物炭老化及其对重金属吸附的影响机制

生物炭具有丰富含氧官能团、多孔结构、阳离子交换量、芳香性结构等使其对重金属具有良好的固持作用，进而在重金属污染土壤修复中具有良好的应用前景。生物炭施入土壤中在与土壤接触过程中受物理、化学和生物作用而发生老化现象，致使生物炭特性发生改变。

本文综述了原料来源、热解温度和老化方法对老化生物炭特性的影响，以及老化生物炭对重金属吸附的影响机制。老化作用对生物炭特性的改变主要体现在灰分、表面元素组成、含氧官能团、pH、形貌特征、孔隙结构及比表面积。老化生物炭表面含氧官能团、负电荷和CEC 含量增加会促进其对重金属的吸附；而比表面积和pH 的降低、酚羟基和芳香醚含量增加以及羧基数量减少则抑制其对重金属的吸附。

前  言

生物炭（biochar）是由生物质在完全或部分缺氧的状态下热解（通常<700 ℃）产生一类含碳量较高且高度芳香化固态物质。近年来，生物炭在固碳减排、土壤改良和污染修复等方面的环境效应和生态效应已经引起广泛关注。自然界中生物炭作为森林火灾的残留物具有很长的寿命可以在土壤生态系统中保存时间超过10000 年，但也有研究人员指出，生物炭的平均残留时间最少只有19 年。因此，生物炭在进入环境以后，可能在生物、非生物过程中被很快降解，或者至少是表面迅速氧化，而这样的过程无疑对生物炭的环境功效产生影响。例如，生物炭在其环境老化过程中，比表面积、孔体积、表面形态等表面化学性质都发生了改变。研究者初步证实，生物炭老化后一方面其表面含氧官能团（如羟基、酚羟基等）的增加可以促进其对重金属的吸附，而另一方面其比表面积和pH 的降低会导致生物炭对重金属吸附量降低，那么老化过程对生物炭特性的改变及其对重金属吸附的促进或降低机制如何? 这个问题还亟待研究解决。此外，老化生物炭对重金属吸附的降低显然会增大污染物的迁移和风险。因此，不应该忽视生物炭在环境中的老化过程，其对污染物行为和风险的影响也显然不能用生物炭的初始性质进行预测。全面理解生物炭的老化过程机制及其对重金属的相互作用，是对生物炭施用安全控制和环境效应评价的客观需求。

本文在阐述老化作用对生物炭特性影响的基础之上，综述了老化作用对生物炭吸附重金属的影响机制，并提出生物炭的老化及其对重金属吸附影响进一步研究的相关科学问题。

一、老化作用对生物炭特性的影响

原料来源及热解温度对老化生物炭特性的影响

生物炭原料来源非常广泛，常见的有木屑、秸秆、 竹屑、稻壳等，也有动物粪便、沉积物、污泥等，其主要组分是木质素、纤维素、半纤维素和无机矿物组分。研究表明生物炭的特性（如比表面积、孔结构、孔体积等）受到原料来源和热解温度的影响，如600 ℃制备的生物固体生物炭比表面积（20.3 m²∙g^-1） 较松针生物炭（207 m²∙g^-1）小；随热解温度的升高，生物炭 C、O、灰分含量及含氧官能团含量不断降低，而比表面积、孔容积不断增加等。

老化生物炭特性因原料来源和热解温度而表现出多元性。如，Ascough 等利用重铬酸钾老化生物炭发现赤松炭δ¹³C 的变化率高于海榄雌炭，这与原料中所含生物聚合物碳原子相对比例及其种类（如纤维素、木质素）有关。Jin 等利用HNO₃ 对秸秆炭和粪便炭进行老化处理，其结果表明粪便炭极性基团丰度的变化较秸秆炭更为敏感，这可能是粪便炭中非芳香族C 含量较高而芳香族缩合度较低，从而使其稳定性相对较低 ；有机碳损失使得秸秆炭微孔表面积和微孔体积减少 ；矿物质（可溶性盐和钾化合物）和脂肪族有机物质挥发使得阻塞的生物炭孔隙得到释放，从而导致粪便炭微孔表面积和微孔体积增加。此外，Suliman 等研究结果表明，老化生物炭表面总酸性官能团含量随热解温度的升高而降低；老化过程中低温生物炭与高温生物炭相比其CEC 含量高，这可归因于低温生物炭中羧酸含量较高。生物炭对空气的敏感性随热解温度升高而降低，并形成更加稳定的多芳香族结构，其原因可能是低温生物炭含有更多的挥发物和不太稳定的芳香碳。

这些研究均表明原料来源和热解温度对老化生物炭特性的影响是不容忽视的。但研究人员未对该方面做更为详细的研究，从而无法预测老化生物炭特性。

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