生物炭微/纳米颗粒对疏水性有机污染物在水土环境中迁移的促进作用与机制

Recently, biochar, as a new environmental functional material, has been widely employed in the agricultural and environmental fields. However, it is likely to cause ecological risks that plenty of biochars are brought into the environment. Especially, biochar micro/nano-particles have strong adsorption affinity to hydrophobic organic contaminants (HOCs), and thus they would act as an important carrier to facilitate transport of these contaminants in the environment. The current work aims to reveal the role of biochar micro/nano-particles in facilitating HOCs transport in saturated soil and related mechanisms. The suspension ability of biochar micro/nano-particles in aqueous solution and transport in soil columns (fluvo-aquic soil and red soil) will be investigated by deposition dynamics, suspension, and soil leaching experiments. The adsorption mechanisms and desorption hysteresis of polycyclic aromatic hydrocarbons and phenolic compounds on biochar micro/nano-particles will be examined through batch technique. The enhanced transport of HOCs by biochar micro/nano-particles in soil will be investigated by column experiment. Meanwhile, in the transport process, the roles of colloidal properties of biochar particles, soil retention, adsorption, deposition dynamics, and aqueous conditions (e.g., pH, complexing cations and strength) will be determined by combining the results of adsorption and transport experiments. Overall, these results would provide basis for scientifically evaluating the ecological risks of biochar and rational utilization of biochar products.

近年，生物炭作为一类新型功能材料在农业、环保等领域得到广泛应用，然而大量生物炭进入环境也可能引起生态风险，尤其生物炭微/纳米颗粒（微纳颗粒）对疏水性有机污染物具有很强的吸附能力，可能作为重要载体促进其在环境中的长距离迁移。本项目旨在揭示生物炭微纳颗粒对疏水性有机污染物在土壤饱和含水带中迁移的促进作用与机制：通过沉积动力学、悬浮实验以及土柱淋溶实验明确生物炭微纳颗粒在水中悬浮以及土柱（北方潮土和南方红壤）中的迁移扩散能力；进行吸附-解吸实验，剖析生物炭微纳颗粒对多环芳烃和酚类化合物在吸附机理上的差异，探讨解吸滞后的产生机制；开展生物炭微纳颗粒与目标污染物协同运移的土柱淋溶实验，结合吸附、解吸数据，阐明生物炭胶体特性、土柱截留、污染物吸附以及解吸滞后、水化学条件（pH、离子种类及强度）等因素在此过程中的关键控制作用。研究结果将为科学评估生物炭在环境中的生态风险、及生物炭产品的合理利用提供依据。

近年，生物炭作为一类新型功能材料在农业、环保等领域得到广泛应用，然而大量生物炭进入环境有可能引起生态风险，尤其生物炭微/纳米颗粒（微纳颗粒）对有机污染物具有很强的吸附性能，可能作为重要载体促进其在环境中的长距离迁移。本项目旨在揭示生物炭微纳颗粒是如何与有机污染物相互作用从而促进其在土壤饱和含水带中的迁移。该问题涉及生物炭颗粒自身的迁移行为、生物炭颗粒对有机污染物的吸附/解吸、以及生物炭颗粒与有机污染物的协同迁移。在项目执行过程中，通过沉积动力学、悬浮实验以及异相团聚实验明确了生物炭微纳颗粒在水土环境中悬浮扩散能力，以及与典型土壤矿物颗粒的团聚机制；通过吸附-解吸实验，探明了生物炭微纳颗粒对不同种类有机污染物的吸附亲和力；最后进一步剖析了生物炭-矿物颗粒团聚体对污染物的吸附和运移机制。结果表明，生物炭纳米颗粒在NaCl和CaCl2电解液中的临界聚沉浓度分别为700和4.3 mM，显著高于碳纳米管和石墨烯，说明其在环境中具有极强的悬浮和迁移能力。通过不同表征手段我们发现，生物炭纳米颗粒的表面官能团和电荷密度是影响其胶体稳定性的关键因素。此外，生物炭纳米颗粒比粗粒径生物炭具有更大的比表面积以及发达的微孔结构，且随着制备温度的升高，生物炭微纳颗粒的比表面积和孔容提高更加显著；生物炭微纳颗粒表面含有更多的含氧官能团以及矿质元素，这些特性使其对有机污染物具有更强的吸附能力。在生物炭微纳颗粒与土壤矿物胶体（针铁矿）的团聚过程中，我们发现二者的质量比与溶液pH是控制团聚的主要因素。体积较小的生物炭-针铁矿团聚体对有机污染物菲具有更强的吸附能力，此外，我们发现该异相团聚体的结构比较松散，当菲的浓度达到一定程度时污染物分子能够进入到团聚体内部，从而提高其吸附容量。本项目取得了一定的原创性科研成果，较好地完成了既定研究计划。研究结果可为科学评估生物炭在水土环境中的生态风险、生物炭产品的研发及合理利用提供科学依据。