新型稳定化生物炭-纳米铁复合材料的制备及其地球环境行为研究

Biochar has been applied as functional materials for carbon sequestration and environmental remediation. Modification of biochar to develop composite materials is an important way to enhance the environmental remediation function of biochar, while nano iron and biochar composite materials are expected to be widely applied in soil and groundwater remediation because of its powerful functions. The dispersion and stability of nano iron is a key problem that need to be solved in the modification process. The mineralization process of biochar composite material and its influence on soil functional microorganisms are related to the carbon sequestration and has not been reported until now. In this project, biochar will be first modified by general approach, then the dispersity and stability of nanoscale iron will be enhanced with stabilizer such as CMC to develop the new stabilized biochar-nano iron composite, and then properties of the composite functions of the composite will be characterized. Using soil culture experiments, comparative study of effects of raw materials, biochar and biochar composites on soil physicochemical properties and greenhouse gas emissions will be conducted, and mineralization process of the composites will be analyzed by using magnetic recovery technology. The microbial community and functional genes will be tested by high-throughput sequencing and qPCR technology, and the couple of composite mineralization with nitrogen cycle will be illustrated. The mechanism biological interaction theory between carbon and iron during development and environmental application of novel biochar composites will be illustrated, which provides a theoretical basis for the application of biochar composites in environmental remediation and mitigation of climate change.

生物炭兼具碳封存和环境修复的双重功能，通过改性形成复合材料是提升生物炭环境修复功能的一个重要手段，纳米铁与生物炭的复合材料功能强大，有望在土壤、地下水修复中获得广泛应用。纳米铁的分散性和稳定性是改性中要解决的关键问题，同时复合材料的矿化过程及对土壤功能微生物的影响关系到材料的碳封存效果，至今未见相关研究报道。本项目通过对生物炭进行常规改性，再以CMC为代表的稳定剂强化纳米铁的分散性和稳定性制备新型稳定化生物炭-纳米铁复合材料，表征材料的性质和功能；利用土壤培养实验，对比研究生物质原料、生物炭及生物炭复合材料对土壤性质及温室气体排放的影响，利用磁性回收技术考察土壤培养过程中材料的矿化过程，采用高通量测序及qPCR技术揭示微生物群落和功能基因的变化及与土壤氮循环的耦合。通过研究阐明生物炭复合材料的制备及应用过程的铁碳生物互作理论，为生物炭复合材料在环境修复及缓解气候变化中的应用提供理论依据。

由于其优异的性能及对废弃物的有效利用，生物炭复合材料的研究近年来得到了极大的发展。特别是生物炭与零价铁等的复合材料已经成为人们关注的焦点，并在土壤和地下水污染治理，农田环境修复等方面都得到了广泛的应用。但生物炭及其复合材料的环境效应是生物炭环境应用过程中需要解决的关键科学问题。本项目在申请人前期研究的基础上，对生物炭-零价铁及其他铁相关的复合材料的制备方法与应用开展了广泛的研究，制备磷酸改性纳米铁-生物炭复合材料，碳包覆零价铁材料，铁酸锰-生物炭复合材料，生物炭-四氧化三铁复合材料等。通过土壤培养实验，对比研究不同生物质原料、生物炭及生物炭复合材料对土壤性质及温室气体排放的影响。同时研究了生物炭和微塑料共同存在条件下对土壤污染物的降解及球磨生物炭的环境效应。研究结果表明磷酸改性生物炭和磷酸改性生物炭-纳米铁复合物在实验初期促进了CO2和N2O释放，随着培养时间的延长，抑制作用更加明显，温度越高，抑制作用越明显。通过碳包覆的方式制备出能够在空气中稳定存在的纳米零价铁/碳复合材料，并实现了其自身对氯代苯酚的还原脱氯及氧化降解。生物炭和第二金属源引入铁基催化剂在复合材料中发挥了重要作用，MnFe2O4@biochar在活化PMS以降解水中的有机污染物方面表现出良好的性能，具有高稳定性和安全性能。木屑生物炭（BC）和球磨生物炭（BM）以及聚乙烯塑料碎片（PEPF）和可降解塑料碎片（DPF）对污染土壤中多环芳烃（PAHs）和邻苯二甲酸酯（PAEs）去除具有协同作用。球磨生物炭可导致土壤链霉菌细胞受到严重破坏，加入球磨生物炭后，链霉菌培养体系抗生素的产量显着增加。.项目发表高水平SCI论文20篇，申报发明专利5项，其中1项获得授权，培养研究生8名。项目提出了生物炭复合材料具有调整环境温室气体排放效应的作用，对生物炭的碳中和效应的进一步研究具有重要的理论指导意义。