摘要
生物炭经天然火灾或人为高温限氧制得，在土壤水分、雨水或径流等作用下会溶出一些物质，即生物炭溶出物。生物炭溶出物主要由生物炭源溶解性有机质（biochar-derived dissolved organic matter, BDOM）和无机成分构成。BDOM具有高反应活性和生物化学活性，不仅可作为养分被土壤生物吸收利用，影响土壤生物的生长与繁殖；还会与重金属和有机污染物相互作用，影响污染物在环境的迁移降解。生物炭溶出物中无机成分则对生物炭改良土壤具有较大贡献。目前的研究主要集中于分析BDOM的组分和性质，以及BDOM与有机污染物之间的相互作用，而对BDOM影响土壤体系去除污染物的影响尚不清晰。此外，无机成分影响土壤体系去除污染物的相关研究如凤毛麟角。因而，本文以玉米秸秆为原料制备生物炭溶出物，探究不同热解温度、浓度和添加顺序下，生物炭溶出物对蒙脱石吸附罗丹明B（rhodamine B, RhB）的影响。并根据吸附结果和生物炭溶出物各组分性质，分析BDOM在其中的作用与相关机理。 不同热解温度下制得的BDOM的组分与性质存在显著差异。热解温度为300℃时，部分生物质发生碳化；500℃时，生物质碳化程度加深，但部分C结构可以重新组合为大分子物质；700℃时，生物质裂解为大量小分子物质。因而，各BDOM荧光组分含量、腐殖化程度、芳香性以及有机官能团含量随热解温度变化顺序为：500℃＞300℃＞700℃。700℃下BDOM的分子量和疏水性最低。生物炭溶出物中无机成分含量和pH值随热解温度升高而显著增大。 生物炭溶出物会抑制蒙脱石吸附RhB。且抑制效果随生物炭溶出物的热解温度和浓度的增大而显著增强。改变生物炭溶出物的添加顺序，蒙脱石对RhB吸附量会发生变化。作用机理分为两部分：一是BDOM对RhB的络合。不同热解温度下BDOM与RhB络合引发吸附量的减少顺序为：500℃＞300℃＞700℃。且BDOM的络合能力以及络合引发吸附的减量与其芳香性和腐殖化程度有关。二是生物炭溶出物呈碱性，它与蒙脱石、RhB混合后溶液pH值会升高。pH值升高，蒙脱石对RhB的吸附能力会降低。生物炭溶出物中的无机物质含量和碱度均随热解温度的升高而增多。相应地，各热解温度下生物炭溶出物中碱度对抑制吸附的贡献为：700℃＞500℃＞300℃。值得注意的是，生物炭溶出物的碱度对其抑制蒙脱石吸附RhB贡献较大。700℃生物炭溶出物作用的pH条件下，无机成分与蒙脱石的相互作用对抑制吸附的贡献高于80%。 其中，BDOM对RhB的络合能力与其芳香性和腐殖化程度有关。RhB浓度为2~10 mg/L时，动态猝灭对300℃和500℃下的BDOM与RhB荧光猝灭的贡献逐渐增多，对700℃下的BDOM与RhB荧光猝灭的贡献则先减后增（＜6mg/L）。这可能是因为300℃和500℃下BDOM的芳香性和腐殖化程度高于700℃。联合总猝灭量，三种BDOM对RhB络合能力的大小顺序为500℃ BDOM＞300℃ BDOM＞700℃ BDOM。 与生物炭溶出物作用7 d后，蒙脱石的FTIR结果表明蒙脱石会吸附一些生物炭溶出物，改变其层间物质。且溶液中[OH-]含量显著降低。这说明蒙脱石可能会吸附生物炭溶出物中碱性成分，改变其表面性质和组成。然而，蒙脱石对BDOM的吸附量微乎其微。因而，蒙脱石与生物炭溶出物中无机碱性物质可能存在吸附或离子交换行为，两者反应后蒙脱石对RhB的吸附能力会降低。 可见，本实验对BDOM和生物炭溶出物中无机成分在土壤体系的环境效益意义重大，并为土壤体系中研究BDOM影响有机污染物的迁移和去除的作用机制提供案例。此外，本实验分析了土壤中原有生物炭溶出物、生物炭溶出物与有机污染物同时进入土壤两种情况下生物炭溶出物对蒙脱石吸附RhB的影响，不仅可为生物炭溶出物、矿物质与有机污染物间相互作用提供研究案例，还有助于探讨不同土壤环境中有机污染物的去除。
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