摘要
近年来，通过投加生物炭（包括水热炭和热解炭）实现土壤中铅钝化的修复技术凭借其费效比优势而广受关注，但目前关于生物炭表面化学性质变化对铅钝化的实效影响鲜有报道。 本研究通过水热炭化制备了核桃壳水热炭（WHC）和木屑水热炭（SHC），并采用H2O2、NaOH对WHC进行表面改性后，得到WHC-H和WHC-A两种改性型水热炭。取制备的四种水热炭（WHC、WHC-H、WHC-A和SHC）和商品果木热解炭（BC），采用XPS、FTIR、SEM等方法对五种生物炭表面的化学性质及材料结构进行表征与对比分析；通过吸附实验研究对比了BC和四种水热炭对水中Pb(Ⅱ)的吸附机理和效果；研究了五种生物炭进入污染土壤后对铅赋存形态及生物有效性的影响；将WHC、WHC-H和WHC-A三种核桃壳水热炭添加到铅污染土壤，利用植物根系分泌物检验了其固定铅的效果，通过小麦种子的发芽率评价了三种水热炭添加后土壤的植物毒性。 研究结果表明： （1）水热炭的产率在55%-68%范围内，其表面积主要来自颗粒间的空隙；水热炭水分散液pH呈酸性，而热解炭水分散液呈碱性、且具有更大的比表面积，这一差异的主要成因在于成炭过程中孔隙的发育程度和表面羧基脱羧的效果。 （2）经H2O2改性的水热炭中羟基、羧基等含氧官能团得到了显著增加，但水热炭比表面积没有显著变化；经过NaOH改性处理后含氧官能团减少，但水热炭比表面积提高了53.98%；H2O2和NaOH改性处理均改变了水热炭的形态结构。 （3）吸附实验结果表明，五种生物炭对水相中Pb(Ⅱ)的吸附均符合准二级动力学模型，属于化学吸附；吸附等温线分析表明，生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附符合Langmuir模型，属于单层吸附；等温模型中的参数1/n和KL都表明WHC-H对Pb(Ⅱ)的亲和能力最强。 （4）污染土壤添加WHC、SHC、BC后，30天实验组的生物有效性铅（DTPA提取）有所降低，其中WHC组的有效性铅比BC和SHC少4.3%和2.8%；BCR分级提取法分析结果表明，处理60天的污染土壤中弱酸可提取态（F1）和可还原态（F2）占比分别较对照组降低了5.87%-10.51%，表明污染土壤中铅的可迁移性降低，其中WHC的固定效果更好。 （5）WHC、WHC-H和WHC-A添加量均为7%的条件下，与对照组相比，施加30天后土壤中有效性铅含量较对照组分别减少了13.60%、19.32%和14.53%，土壤中F1形态的铅较对照组分别减少了1.42%、1.71%和2.47%，添加WHC-H和WHC-A处理的土壤中可氧化态（F3）和残渣态（F4）占比显著增加，与对照组相比提高了6%-10%。 （6）经过麦冬、萝卜和菠菜三种植物根系分泌物的淋出实验，随着WHC、WHC-H和WHC-A施加量的增加，淋出液中的铅含量随之减少。BCR结果表明，三种炭添加后，土壤中铅的F1+F2比例降低，即三种炭都能够有效固定土壤中的铅，且WHC-H的效果最好；三种炭均具有植物毒性，对小麦种子的发芽有抑制作用，且随着添加量的增加，抑制作用越强。
NETL