生物炭对土壤截留外源Cr(VI)效果的影响研究

生物炭对土壤截留外源Cr(VI)效果的影响研究

秦亮，段婷

重庆交通大学 河海学院

摘要：雨水径流是城市地区污染物的重要载体，可降低邻近地表水的质量和健康，因此，如何截留雨水径流污染物，已经成为当今水资源保护的研究热点。本文采用传统农业废弃物稻壳为生物质原料制备生物炭，采用SEM对生物炭的表面形貌进行分析；通过土壤淋溶实验，探究不同量生物炭对土壤截留外源Cr(VI)的效果影响。结果表明：稻壳生物炭的表面有清晰的孔隙结构。在0-10 cm土壤中，BC的加入可以提高土壤对外源Cr(Ⅵ)的截留效果，并且对外源Cr(Ⅵ)的累积截留量随BC用量的增加而升高。其中在土壤中添加5%BC对外源Cr(Ⅵ)的截留效果最好，累积截留量达到0.482 mg。

关键词：生物炭; Cr(VI); 雨水径流；截留

Study on the effect of biochar on the retention of exogenous Cr(VI) in soil

Qin Liang, Duan Ting

School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University

Abstract: Stormwater runoff is an important carrier of pollutants in urban areas and can reduce the quality and health of neighboring surface waters, therefore, how to intercept stormwater runoff pollutants has become a hot research topic in water conservation today. In this paper, biochar was prepared by using traditional agricultural waste rice husk as biomass raw material, and the surface morphology of biochar was analyzed by SEM; Soil leaching experiments were conducted to investigate the effect of different amounts of biochar on soil retention of exogenous Cr(VI). The results showed that the surface of rice husk biochar had a clear pore structure. In 0-10 cm soil, the addition of BC could improve the retention effect of exogenous Cr(VI) in soil, and the cumulative retention of exogenous Cr(VI) increased with the increase of BC dosage. Among them, the addition of 5% BC to the soil had the best retention effect on exogenous Cr(VI), with the cumulative retention amount reaching 0.482 mg.

Keywords : Biochar; Cr(VI); Stormwater runoff; Detention

城市雨水径流污染是指雨水因城市的地形起伏不定以及不透水道路面积的增大，在地表不断汇集形成径流。当雨季来临时，大量的雨水会冲刷城市地表，携带地表灰尘在地表形成雨水径流，然后渗入地下水或沿着道路排入城市河流当中，引起水体污染现象的发生。有研究表明很多城市地表灰尘中的铬(Cr)含量都超出土壤背景值，以及大气颗粒物中的Cr(Ⅵ)含量都远远超过了空气质量标准的浓度限值（0.025 ng/m3）［1-2］。因此在降雨期间，地表灰尘和大气颗粒物会随着雨滴掉落到地面中，然后随着雨水径流流入自然水体中，这样大气颗粒物中的Cr(Ⅵ)也会随之进入水体中，造成水体重金属污染。而Cr(VI)化合物对人类和动植物都有潜在的毒性作用，高浓度的Cr(VI)会对人体中的部分器官和免疫系统产生影响，也会对我们的血液产生影响。因此十分有必要对其进行控制和处理。

生物炭是在厌氧的条件下，对富含碳的生物质进行高温热解处理的产品。其原料来源丰富，例如农林残余物、动物粪便、工业副产品等。并且生物炭的比表面积很大，表面有很多的孔隙结构和含氧官能团，比如羧基（-COOH）和羟基（-OH）等基团

［3］。生物炭的高比表面积与孔隙结构能够提供较多的吸附位点，含氧基团和矿物组分能与重金属发生络合、共沉淀等化学吸附，提高其截留效果。但是很多研究都集中于生物炭对土壤养分流失及土壤理化性质的影响，而生物炭对土壤截留外源Cr(VI)效果的影响研究较少。因此借助土柱淋溶实验，探究生物炭对土壤截留外源Cr(VI)效果的影响，以期为生物炭在土壤中截留雨水径流所携带的典型污染物能力方面提供新的实验和理论依据。

1 材料与方法

1.1土壤采集

实验土壤来自重庆市主城区长江沿岸消落带处，采集0-10 cm深度的土壤样品。将采集的土壤样品进行自然风干，清除明显的杂草与碎石子后，由于土壤本身为砂质土，因此需要过60目筛过滤杂质，保存备用。

1.2生物炭

实验原材料为稻壳(一种典型的农业废物)，用超纯水进行清洗表面污垢，在38 ℃温度下烘干水分，然后使用粉碎机粉碎至小于2 mm。取一定量的稻壳粉末放入干净的石英舟中，然后将石英舟放置于管式炉，在氮气的保护下600 ℃热解碳化2 h后取出。放置在干燥器中进行自然冷却，然后进行研磨，使稻壳生物炭通过100目筛，最后储存在密封袋中备用，即为生物炭(记为BC)。

1.3雨水径流污染物配置

通过向超纯水中添加K2Cr2O7配置混合溶液，模拟雨水径流污染物。溶液中Cr(VI)浓度相当于劣Ⅴ类地表水的100倍。具体浓度为：Cr(VI)浓度为10 mg/L。

1.4淋溶试验

土柱淋溶试验一共设置3个处理，0-10 cm深度的风干土壤中不添加生物炭（0%）的记为CK，添加稻壳生物炭量为1%和5%（w/w）分别记为BC1和BC2。每处理3个重复。

本实验中所采用的柱子材质为有机玻璃，内径为1.6 cm，高为10 cm。为避免出现不必要的干扰因素，先以超纯水清洗玻璃柱，烘干，之后向其填充炭土混合物，为了在装填的过程中保证混合物填充均匀，需要分层装入土柱，并适当压实。

实验开始前，先用超纯水将每个处理都灌饱和，直到出水速度相同。采用自配的雨水径流进行淋溶。采用连续淋溶的方式，通过蠕动泵控制流速为0.67 mL/min。连续进水6 h，每次取样水量为20 mL，一共取样12次，进水总量为240 mL。即通入Cr(VI)的总质量为2.4 mg。淋滤液测定内容为Cr(VI)浓度。

1.5测定方法及数据处理

使用扫描电子显微镜测定BC表面结构。淋滤液中的Cr(Ⅵ)浓度的测定，采用二苯碳酰二肼分光光度法（GB7467-87）。

截留率=(淋滤液浓度-雨水径流浓度)/雨水径流浓度×100%

截留量=取样量×截留率×雨水径流浓度

2.结果与分析

2.1生物炭表面形貌特征分析

通过使用扫描电子显微镜（SEM）研究了BC的形态特征，如图2-1所示，我们可以看到，BC有较清晰的孔隙结构，表面呈现出蜂窝状的网络形态，以及附着的不同形状的灰颗粒。

图2-1生物炭的SEM图像

2.2 生物炭对土壤截留外源Cr(Ⅵ)的影响

图2-2为在土壤中添加不同量生物炭下，淋滤液中Cr(Ⅵ)截留率的变化趋势，如图所示，土柱CK中仅含有土壤，随着进水体积的增加，其淋滤液中的Cr(Ⅵ)截留率在不断降低，最低截留率达到11.69%。说明土壤不能有效地截留雨水径流中的Cr(Ⅵ)，导致其容易迁移到河流中。而BC2土柱淋滤液中Cr(Ⅵ)截留率比CK要高，这说明了生物炭的添加使得土壤对Cr(Ⅵ)的截留更加有效，能固定更多的Cr(Ⅵ)，降低其迁移的能力。与Hossain等［4］的研究结果类似，他们认为与土壤颗粒相比，生物炭拥有能更有效吸附重金属的能力。Zhang等［5］通过收集大量文献数据，发现生物炭对土壤中的阴离子金属有显著的固定作用，会降低了这些金属对植物的生物有效性，可以降低Cr、Sb和V的潜在迁移率。而BC1与CK土柱淋滤液中Cr(Ⅵ)截留率相差不多，主要是因为添加的生物炭量较少，无法对Cr(Ⅵ)起到很有效的截留。

图2-2不同土柱淋滤液中Cr(VI)截留率

2.3 生物炭对土壤截留外源Cr(Ⅵ)的效果

为了更加直观了解在土壤中添加生物炭对外源Cr(Ⅵ)的截留效果大小，给出了土柱对Cr(Ⅵ)的累积截留量。如图2-3所示，CK和BC1土柱对Cr(Ⅵ)的累积截留量大致相当。BC2土柱对Cr(Ⅵ)的累积截留量为0.482 mg，比CK和BC1土柱都高。这主要是因为生物炭中的孔隙结构和表面的含氧官能团的关系。与Eyvazi等［6］结论类似，他们合成的纳米颗粒材料通过化学吸附机制降低Cr(Ⅵ)在土壤中的有效性。

图2-3淋滤液中Cr(VI)累积截留量的变化

3.结论

本研究以农业废弃物稻壳为原料通过热解法制备了原始生物炭，并通过利用SEM、表征技术，对BC的表面结构特征进行了分析，并通过土壤淋溶实验探究了不同生物炭量对外源污染物Cr(Ⅵ)的截留效果。

稻壳生物炭的表面有清晰的孔隙结构，呈现出蜂窝状的网络形态。在0-10 cm土壤中，BC可以提高土壤对外源Cr(Ⅵ)的截留效果，并且对外源Cr(Ⅵ)的累积截留量随BC用量的增加而升高。其中在土壤中添加5%BC对外源Cr(Ⅵ)的截留效果最好，累积截留量达到0.482 mg。

参考文献

[1] 王硕, 蔡立梅, 王秋爽, 等. 中国城市地表灰尘中重金属的富集状况及空间分布特征[J]. 地理研究, 2018, 37(8): 1624-1640.

[2]王橹玺, 李慧, 张文杰, 等. 大气PM2.5载带重金属的区域污染特征研究[J]. 环境科学研究, 2021, 34(4): 849-862.

[3] Fan S, Tang J, Wang Y, et al. Biochar prepared from co-pyrolysis of municipal sewage sludge and tea waste for the adsorption of methylene blue from aqueous solutions: Kinetics, isotherm, thermodynamic and mechanism[J]. Journal of Molecular Liquids, 2016, 220: 432-441.

[4] Hossain M K, Strezov V, Chan K Y, et al. Agronomic properties of wastewater sludge biochar and bioavailability of metals in production of cherry tomato (Lycopersicon esculentum)[J]. Chemosphere, 2010, 78(9): 1167-1171.

[5] Zhang Y, Ren M, Tang Y, et al. Immobilization on anionic metal(loid)s in soil by biochar: A meta-analysis assisted by machine learning[J]. Journal of Hazardous Materials, 2022, 438: 129442.

[6] Eyvazi B, Jamshidi-Zanjani A, Khodadadi Darban A. Immobilization of hexavalent chromium in contaminated soil using nano-magnetic MnFe2O4[J]. Journal of Hazardous Materials, 2019, 365: 813-819.