植物修复收获生物质制备生物炭中重金属的稳定机制研究

The project focuses on the heavy metals in biomass of phytoremediation, and investigates the release risk and stability mechanisms of heavy metals in biochars produced through multiple methods, in order to prevent the secondary pollution during the process of biochar aging. The applicant will analyze the chemical transformation of heavy metals during biochar production, combine biochar physicochemical properties with microstructure changes, and assess the effect of different preparation methods and conditions on the binding mechanisms of biochar with heavy metals. At the same time, the release risk and environmental exposure characteristics of heavy metals in biochar could be predicted by building extreme aging environments with different gradients (strong acid, strong base, accelerated oxidation state), analyzing the toxic leaching of heavy metals from biochars. Finally, the driving process and interaction mechanism of the release potential of heavy metals from biochar could be clarified under the extracellular electron transfer processes in real soil environments. The results of this project could provide insights into the stability of biochars produced by the pyrolysis of harvested phytoremediation biomass.

本项目针对植物修复收获生物质中的重金属释放问题，通过将其制备成生物炭的方式进行废物减量化和重金属的稳定化，但重金属在生物炭逐渐老化过程有释放风险，亟需对生物炭中重金属释放潜力及稳定性进行分析，避免产生二次污染。本项目研究将分析制炭过程中重金属的化学形态转化规律，结合生物炭理化性能和微观结构变化，分析不同制备方法和制备条件对生物炭与重金属的结合机制的影响；同时构建不同梯度的极端老化环境（强酸、强碱、加速氧化状态），分析生物炭中重金属的毒性浸出情况，并对生物炭中重金属释放风险进行评价，预测生物炭内不同形态重金属的释放风险和环境暴露特征；最后在实际土壤环境微生物胞外电子介导能力作用下，分析生物炭中重金属释放潜力的驱动过程及影响机制，研究成果将为植物修复收获生物质制备生物炭的稳定性提供有价值的参考。

近年来，随着植物修复技术的广泛应用，产生了大量含重金属的生物质，这些生物质需要妥善处置，以免对环境造成二次污染。本项目将含重金属的西伯利亚鸢尾作为原料制备生物炭，探究热解过程中重金属和生物炭的形态、理化特性变化情况，并阐明生物炭与重金属的结合机制；探究生物炭中重金属在不同环境的释放规律，并对其进行环境风险评估；探究含重金属生物炭作为土壤改良剂施入土壤后其中重金属形态的变化规律；通过性能测试实验，探究富集铁生物炭材料在过硫酸盐高级氧化技术中的适用性。主要研究结论如下：（1）热解温度升高，生物炭碱性增强、产率减少，生物炭表面的官能团种类与数量减少，表面晶体结构增多，金属的引入会致使生物炭产生形貌差异。热解过程中，生物炭对重金属具有富集作用，这与重金属自身属性有关。高温热解利于生物炭中重金属向生物有效性低的形态转化，风险评估发现高温热解能有效降低生物炭中重金属的生物有效性和潜在风险。（2）强酸环境和强氧化环境会促进生物炭中重金属的浸出。当溶液pH=2时，生物炭中的重金属表现出较大浸出风险，高过氧化氢浓度也会强化生物炭中重金属的浸出。（3）含重金属生物炭作为土壤改良剂施入土壤后，生物炭中重金属逐渐向稳定形态转变，高热解温度（700℃）下获得的含Pb生物炭对土壤中的细菌多样性无显著影响。（4）利用植物生长过程中吸收的Fe制备成的富铁生物炭，在热解过程中Fe转化为零价铁，产生了铁碳结构，使其比表面积增加近13倍，具有大量或活性位点，能够有效活化过硫酸盐降解2,4-二氯苯酚。(5)富Fe生物炭在铁为Fe3O4形式存在时表现出高效光响应及过氧一硫酸盐（PMS）活化性能，能够在不同环境中有效的去除水中的有机污染物。为植物修复后所产含重金属生物质的固化稳定化及资源化提供良好的数据支撑。依托本项目，发表文章12篇，授权国内外专利成果17项，获得国内国际奖项6项；1人晋升正高级职称，同时培养3名硕士研究生和2名博士研究生。