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农业土壤中铊的污染及其利用生物炭的潜在修复

2020-04-09  来源:  作者:余杭新闻在线

北极星环境修复网讯:铊(TI)是一种分布较广、毒性极高的有害重金属,可通过土壤污染沿食物链来威胁人类健康。利用生物炭修复农业土壤重金属污染具有巨大应用前景。目前如何利用生物炭来修复农业土壤铊污染的研究报道还很少,因此需要进行相关研究来开发有效的生物炭修复技术,促进农业土壤铊污染的高效修复,促进农产品产地环境及其品质的保障。

本文总结了世界上土壤铊污染的来源、迁移转化、水平、生物可利用性及其健康风险等信息,回顾了生物炭的制备技术、改性技术及其重金属修复机理,比较了生物质、活性炭与生物炭等相关材料对土壤铊污染修复的性能与效益,在此基础上预期生物炭修复铊污染的农业土壤将具有良好性能,呈现广阔的应用前景。农业土壤中生物炭及其相关材料对铊的修复作用

1.通过生物质的生物吸附修复铊

多种生物质资源包括秸秆、木材、粪便和其他有机废物在内的生物炭原料,都可以用来修复受铊污染的土壤。为了从水溶液中去除铊,有学者进行了真菌处理过的黑曲霉(Aspergillus niger)生物质研究(包括批式pH、动力学、等温线研究)和使用氧化铁包被的固定化真菌生物质的土柱研究(研究pH和接触时间对铊的吸附过程的影响)。

结果表明,所选生物质的pH值为4和5表现出较高的铊吸附。动力学研究表明,铊吸附在黑曲霉真菌生物质上的平衡时间为6小时,其中该速率在早期几个小时内较迅速。此外,通过在130 °C烘箱干燥的氧化铁涂层生物质(去除率67%)和十六烷基处理的生物质(去除率53%)可有效去除铊。

另外,最近的类似研究是基于Pestalotiopsis sp. FW-JCCW的干燥生物质对铊(I)的生物吸附,其中考虑了等温、动力学和热力学机理。同样,研究了包括反应pH、铊(I)的初始浓度、搅拌速度、反应温度和接触时间等重要的因素对铊(I)生物吸附能力的影响。表征结果表明,菌株表面的官能团(C-O,-OH或-NH,-CN和-COOH)有助于生物吸附。这证实了Pestalotiopsis sp. FW-JCCW可用作去除废水中铊(I)的有效吸附剂。

另一批式模式研究使用桉树叶粉末从水溶液中去除铊(III)离子。铊(III)的吸附强烈依赖于pH值,在25±1 °C时最大吸附量为78.2%。另外,在中国贵州进行的一项较早的铊生物吸附研究使用从富营养化湖泊中收集的干生物膜生物质也证明,当溶液为碱性时,可以从水溶液中有效去除铊。因此,证明吸附剂的改性可以显著提高吸附效果。

此外,批量处理研究表明可以使用改良的甜菜浆从水溶液中去除铊(I),并且通过用NaOH预处理可以提高吸附剂的去除效率。该吸附过程发生迅速,并且在pH值为5至9且吸附量为7.00 g/L的情况下,铊(I)达到了的最大去除效率。然而,由于生物质在农业土壤和水相中快速分解,因此吸附的铊通常被快速释放。由于潜在的安全问题和费时的后处理,很少有生物吸附方法用于环境修复。因此,未来的研究应侧重于在农业土壤中实现铊修复,包括其后续的安全性和自然界中的后处理。生物炭被证明是有效的农业土壤重金属修复的环境友好材料,将来亦可更多的尝试将生物质转化成生物炭进行应用研究。

2.活性炭对铊的修复

生物质的高温加热或退火,使得具有各种化学成分(包括磷酸,壳聚糖,氢氧化钾或过氧化氢)生物质例如椰子壳形成具有发达内部结构和表面积的碳材料,是相应的生物炭材料的三倍。碳材料在去除疏水有机基质方面表现出很高效率,并且对大表面积碳有很强的亲和力。

Sabermahani等通过从杏壳酮壳中产生微结构化活性炭及其在铊吸附中的应用,提出了表面积和吸附效率之间存在相关性。结果显示高速吸附和平衡发生在在30分钟内。尽管可以将活性炭视为去除污染物的理想材料,但制备成本很高。因此,应将关注点放在生物炭制备和有效降低制备成本上。

3.生物炭对铊的修复

生物炭被认为是用于铊修复的有效吸附剂。在充分考虑到对生物地球化学循环破坏程度的情况下,应有效利用生物炭。此外,由于生物炭的低成本和环境友好性,其使用可以减少对环境的威胁。

最近,Li等通过用西瓜皮制备的生物炭成功去除了受污染废水中的铊,该生物炭制备是用pH范围为(4~12)的KOH和HCl改性,温度为500 °C条件下制备的。观察到最高的铊吸附容量达到178.4 mg/g,超过了其他的生物炭。然而,关于在污染土壤中铊修复的生物炭应用的研究很少。具体来说,生物炭在限制土壤中铊的浸出性和其他自然污染方面起着突出的作用。由于生物炭的负表面电荷、堆积密度和表面积较大因此含有大量的吸附室,从而具有足够的孔隙形状,铊可以从吸附剂的外表面迁移到内核。例如,由于功能基团(例如羧基,羟基和酚基(-COO-和-OH-)的存在,生物炭上带有大量负电荷的表面位点可以将铊阳离子结合,从而降低其在土壤中的迁移率。

由于其优异的性能,生物炭的最佳及时应用可显著影响铊的修复。具体地,铊可以被生物炭快速固定在农业土壤中,从而减轻了植物对铊的吸收。实际上,生物炭在进入农业土壤时会被老化,从而影响铊的修复,而铊的修复可能受到周围(微生物)生物和许多因素(包括粘土矿物质,pH和有机物)的影响。

另外,生物炭的密度显著低于矿质土壤的密度,并可以降低土壤密度,因此生物炭中存在的包括磷酸盐和碳酸盐在内的矿物质可以通过盐和铊之间的沉淀方法降低土壤中铊的迁移率和生物利用度。生物炭的矿物质有助于其将铊结合并从土壤中螯合。为了通过生物炭获得更高的铊去除率,可以综合研究生物炭及其相应修复技术的组合,以及其在农业中实际操作等。展望

本文提供了土壤中Tl污染的概述,以强调其污染控制的意识及其需要高效修复/去除的原因。生物炭以其适宜的改性技术在污染土壤中固定和修复Tl方面显示了其优越性。此外,与其他现有吸附剂(如活性炭和生物质)相比,生物炭的使用优势较大,究其原因是生物炭具有更高效、更经济、更环保等优越特性。此外,生物炭在老化过程中可以表现出较高的污染物解吸能力,导致吸附污染物的浸出。因此,考虑到老化生物炭的高解吸性,对其潜在的负面影响值得更多的关注。未来的研究仍需进一步开发高效制备技术与改性技术,从而可持续地减少环境特别是农业土壤中的铊污染。


原标题:农业土壤中铊的污染及其利用生物炭的潜在修复

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