生物炭-煤矸石复合材料对土壤磷迁移行为的调控作用与机制

Biochar (BC), as one kind of multipurpose soil amendments, is widely used in the field of controlling agricultural non-point source pollution. Traditionally, straw biochar could improve soil structure, better soil quality and maintain soil productivity. However, it is easy to flow away with runoff and infiltration, causing secondary pollution because of its low-density. A kind of composite material is prepared by mixing natural minerals and biochar, which could provide a satisfactory solution to the above dilemma. This project proposes to design and prepare a new composite based on mineral-rich coal gangue (CG) from industrial solid wastes and straw biochar from agricultural wastes. The preparation technology of biochar-coal gangue (BC-CG) composite will be optimized to ensure its stability and safety. We will study the structure-activity relationship of the components, structures and performances of BC-CG composite and its regulatory effects on soil phosphate. The mechanisms of interaction between internal minerals of BC-CG composite and soil minerals will be elucidated during phosphorus transferring process. We will reveal the micromorphology and molecular mechanisms of phosphate bound to surfaces of BC-CG composite and soil system. The practical application value of BC-CG composite will be validated through field test. This study will explore the regulatory mechanisms of combined action of BC and CG on transfer behavior of soil phosphorus theoretically. Meanwhile, it will provide some new ideas and technical guidance for the ecological restoration of ecologically vulnerable areas polluted by agriculture non-point pollution practically.

生物炭作为一种多功能土壤改良剂应用在农业面源防控领域受到越来越多的关注。传统生物炭可改善土壤结构、提高土壤质量，但存在密度低、颗粒度小，施用于土壤后容易造成二次污染的问题，而天然矿物与生物炭共混制备复合材料可以有效解决此问题。本项目提出设计和制备基于富含矿物质的工业固体废弃物煤矸石和秸秆生物炭的新型复合材料，研究生物炭-煤矸石（BC-CG）复合材料的优化制备工艺、稳定性和安全性，研究BC-CG复合材料的组分、结构和性能与调控土壤磷迁移行为的构效关系，阐明在影响磷迁移过程中BC-CG复合材料内源矿物、土壤矿物质的相互作用机制，揭示磷在BC-CG-土壤复合体系表面结合的微形态和分子机理，结合现场试验验证BC-CG复合材料实际应用的可行性。研究工作将在理论上探索生物炭与煤矸石复合调控磷迁移行为机理的同时，在实践上为生态脆弱区农业面源污染的生态恢复提供新思路和技术指导。

生物炭作为一种多功能土壤改良剂应用在农业面源防控领域受到越来越多的关注。传统生物炭可改善土壤结构、提高土壤质量，但存在密度低、颗粒度小，施用于土壤后容易造成二次污染的问题，而天然矿物与生物炭共混制备复合材料可以有效解决此问题。本项目设计和研制了一种基于工业废弃物赤泥（RM）和低成本的核桃壳，通过一种简易的一步热解法制备而成的新型功能性生物炭（BC）吸附废水中的磷（P）。利用响应面法优化了RM-BC的制备条件。研究吸附剂用量、溶液pH值以及P吸附共存离子的影响。采用批处理模式进行了吸附特性的实验研究。采用多种表征技术（SEM-EDS、BET、XRD、FTIR和XPS分析）对合成的RM-BC复合材料进行测试分析。研究了RM中的主要矿物（赤铁矿、石英和方解石）对RM-BC复合材料的P去除效率的影响。.结果表明，以1：1的质量比在320℃下热解58分钟后，制备出的RM-BC复合材料具有最大的P吸附容量（15.48 mg·g−1），是原始生物炭的两倍以上。Freundlich和Langmuir等温吸附模型可以很好地拟合数据，吸附动力学符合拟二级动力学模型。复合材料中赤泥的主要成分赤铁矿，通过与水中P形成Fe–O–P键、表面沉淀和配体交换对水中的P吸附起重要作用。共热解制备复合材料过程利用了两种常见的固体废物的协同作用，有助于提高生物炭密度、表面积和孔容积，并产生更多的活性官能团。吸附P后的RM-BC复合材料还可用作肥料和土壤改良剂，增强土壤养分和水分保持能力，有效控制农业面源污染。这些结果表明，RM-BC复合材料是处理含P废水，调控土壤P迁移转化，防控农业面源的一种有效途径。.在本项目资助下共发表学术论文9篇，其中SCI收录4篇，参加学术会议6人次，培养研究生2名，本科生6名。