生物炭对稀土矿区酸化土壤中稀土元素形态及生物有效性的影响机制

The growing increase in rare earth elements (REE) extraction and manufacturing have led to damage and contamination of soil in rare earth ore, furthermore, REEs mobility and accumulation in mining areas have threaten to security of food, especially primary products and human's health. Therefore, Pollution control and soil remediation has become an immediate emergency because rare earth industry and agricultural sustainability depend on the problem solved. An increasing interest in the beneficial application of biochar has opened up soil remediation and pollution control because of excellent physical and chemical properties, so this project intends to ameliorate soil and decrease the mobility and bio-availability of rare earth elements in soil using biochar. One of the research purposes is to ascertain the reaction mechanism of biochar absorption REEs. Another purpose of the study is to determine the changed trend of rare earth speciation and bioavailability in soil when biochar is applied into, and aging biochar impacts on the speciation and bioavailability of rare earth elements. Finally, the efficacy of biochar could decelerate soil acidity, decrease the mobility and bio-availability of rare earth elements and ensure the food safety and human's health.

稀土资源的开采利用导致了矿区土壤严重的破坏与污染，稀土元素在矿区农田的迁移、富集已经威胁到农产品安全和人体健康，矿区土壤污染的控制与修复成为稀土行业和区域农业可持续发展必须解决的环境问题。本项目利用生物碳在土壤改良与污染土壤修复领域表现出巨大的潜力, 遏制稀土矿区土壤的酸化，降低稀土元素区域性的迁移和生物有效性，减缓矿区土壤、水体和人体健康的风险。项目研究:(1)生物碳吸附/固定土壤中稀土元素的作用机理;(2)生物炭输入土壤后对稀土元素形态、迁移性和生物有效性的影响机制;(3)环境老化对生物炭表面特性的影响机制及调控机理，以及老化生物炭对稀土元素环境行为的影响。以期为生物碳改良、修复稀土矿区污染土壤提供理论支撑。

针对离子稀土矿区土壤酸化，稀土元素区域性的迁移和生物有效性高导致的人体健康风险，利用生物质废弃物作为原料制备生物炭修复材料，通过修复实验，探明生物炭理化特性与稀土元素吸附的构效关系，生物炭施入酸性土壤对稀土元素稳定化及其生物有效性的作用机制，为离子型稀土矿区场地土壤污染控制、生态恢复与安全增值利用提供理论和技术支撑。.原料类型和热解温度是决定生物炭自身性质和吸附稀土元素效果的关键因素。稻壳生物炭随热解温度的升高，比表面积增加，微孔结构增加，表面官能团以有机含氧官能为主，灰分含量与生物炭的pH值呈正相关性。污泥生物炭随着热解温度增加，无机矿物以灰分的形式保留，具有更高的阳离子交换量，除有机含氧官能团外，硅酸盐、磷酸盐、碳酸盐等无机酸根在污泥生物炭吸附稀土离子的具有重要作用。RHBC500对La、Ce、Y、Eu的平衡吸附量为14.46mg/g、10.65 mg/g、13.42 mg/g、11.87 mg/g；SSBC400对La、Ce、Y、Eu的平衡吸附量分别为14.74 mg/g、15.57 mg/g、10.13 mg/g、14.53 mg/g。生物炭对稀土离子的吸附作用为表面的含氧官能团（-OH、-COOH、-C=O-）与稀土离子的静电吸附与络合，盐基阳离子与溶液中的离子发生离子交换吸附，以及无机酸根与稀土离子发生吸附沉淀作用。. 稻壳和污泥生物炭施入土壤中，提升土壤pH 和酸性缓冲能力是降低稀土元素迁移性和生物有效性的关键因素。其次，生物炭表面含氧官能团，碳酸盐、磷酸盐组分与土壤中稀土离子发生吸附、沉淀、络合改变土壤中稀土离子的形态。稻壳生物炭将稀土酸可提取态转化为了可氧化态部分，而污泥生物炭将稀土酸可提取态主要转化为了可还原态。污泥生物炭和稻壳生物炭的施用显著的降低了稀土元素酸可提取态含量的同时植物富集稀土的量也显著降低，稻壳生物炭的修复效果优于污泥生物炭，但随着两种生物炭施入土壤中的时间增加其修复效果下降，生物炭老化导致碱性降低，孔结构坍塌和堵塞导致比表面积下降，表面官能团的吸附点位减少是生物炭对土壤中稀土元素形态及其生物有效性的修复效果降低的主要因素。.