生物炭胶体颗粒物协同土壤Cr(VI)的迁移转化机制与数值模拟

Biochar generated from the pyrolysis of biomass is considered as an effective amendment for heavy metal immobilization in soil. However, the colloid fraction of biochar is likely to migrate and transport with heavy metals in the soil, causing the secondary pollution; on the other hand, biochar colloid is enriched with O-containing functional groups that may induce transformation of heavy metals during the colloid-facilitated transport. Therefore, this project aims to investigate the influence of biochar colloid on the transport and transformation of soil Cr(VI). Fluorescence labeling will be used to study the transport of biochar colloid in three typical soils including red soil, paddy soil, and Chao soil; NanoSIMS and SR-XAFS will be applied to elucidate the speciation transformation of Cr(VI) by biochar colloid; Laser scanning confocal microscope will be adopted to investigate the effect of soil organic matter, Fe/Mn oxides, and ionic strength, etc. on the transport and transformation of biochar colloid and soil Cr(VI); The DLVO and colloid filtration theory will be utilized to explain the co-transport and retention mechanisms of biochar colloid and Cr(VI); HYDRUS will be used to predict the co-transport of biochar colloid and soil Cr(VI). The results obtained from this project will provide scientific basis for the safety evaluation of biochar application in the soil.

生物质经热解形成的生物炭是一种有效的土壤重金属稳定化修复材料。但生物炭中存在一些微纳米级胶体颗粒物，易发生迁移且可能协同土壤重金属迁移，引发二次污染；此外，生物炭胶体颗粒物含有丰富的含氧官能团，具有较强的络合-沉淀、氧化-还原能力，在协同土壤重金属迁移时可能引起重金属的形态转化。本项目拟研究生物炭胶体颗粒物协同土壤Cr(VI)的迁移转化作用。采用荧光标记等方法探讨生物炭胶体颗粒在典型土壤中的纵向迁移规律；运用纳米二次离子质谱、同步辐射等技术探明生物炭胶体颗粒协同Cr(VI)的形态转化机制；借助激光共聚焦显微镜等仪器阐明土壤有机质、Fe/Mn氧化物、离子强度等对生物炭胶体颗粒协同Cr(VI)迁移的影响；基于DLVO理论揭示生物炭胶体颗粒协同Cr(VI)迁移滞留机制；通过HYDRUS模型预测生物炭胶体颗粒协同Cr(VI)在土壤中的迁移风险。为生物炭的土壤环境应用安全性评价提供科学依据。

生物质经热解形成的生物炭是一种有效的土壤重金属稳定化修复材料。但生物炭中存在一些微纳米级胶体颗粒物，易发生迁移且可能协同土壤重金属迁移；此外，生物炭胶体颗粒物含有丰富的含氧官能团，具有较强的络合-沉淀、氧化-还原能力，在协同土壤重金属迁移时可能引起重金属的形态转化。因此，本项目研究了生物炭胶体颗粒物协同土壤Cr(VI)的迁移转化过程及作用机制，取得了系列创新成果：探明了不同生物质源生物炭胶体颗粒的理化性质及稳定性，以及土壤粘土矿物、金属氧化物以及腐殖质对生物炭胶体颗粒团聚行为的影响；厘清了不同热解温度生物炭作为电子供体及电子介导体参与Cr(VI)还原的电子传递过程，以及生物炭与Fe3+、无定形/晶型铁矿、腐殖质、小分子酸等土壤活性组分的交互作用对Cr(VI)转化的影响；阐明了生物炭胶体颗粒在土壤中的迁移与滞留行为，以及离子强度、离子类型、腐殖酸等环境因子对迁移行为的影响；揭示了不同热解温度、生物质源的生物炭胶体颗粒协同土壤Cr(VI)的共迁移机制，以及共迁移过程中生物炭胶体颗粒耦合土壤铁矿对Cr(VI)的形态转化机制；通过HYDRUS-1D模型预测了生物炭胶体颗粒协同Cr(VI)在土壤垂向的迁移通量。总之，该项目研究结果为生物炭的土壤环境应用安全性评价提供科学依据。. 项目完成了研究计划内容，达到了预期目标。在ES&T等环境类重要期刊上发表标注本项目资助相关论文31篇；申请国家发明专利2项；作为大会主席之一联合举办了“第二、三届生物炭与新兴物质的应用和影响国际研讨会”；受邀担任国际、国内学术会议学术委员会委员、分会主席、分会召集人并做大会报告、邀请报告或主旨报告10余次；培养优青1名、博士毕业生4名、硕士毕业生4名。