工程生物炭的环境行为及其在土壤中的老化过程外文翻译资料

 2022-08-08 10:54:03

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工程生物炭的环境行为及其在土壤中的老化过程

摘要

近年来，由于生物炭的广泛应用，生物炭的制备、环境行为和老化过程受到了全球的广泛关注，特别是生物炭的改性。然而，大多数的研究只考虑了改性后生物炭性能的改善，而忽略了对这些新开发材料进入环境后的长期稳定性和生态毒性进行完整的评价。随着生物炭的开发和利用，工程生物炭(EngBCs)将很快进入市场，但其环境风险尚不明确。文献没有提供足够的信息说明EngBCs的老化将如何影响它们的性质，并间接影响土壤的性质(元素和有机质的循环)。因此，本文综述了生物炭的老化过程和环境风险，旨在更好地理解EngBCs与土壤成分或污染物之间的相互作用。更重要的是，本文指出了目前研究中EngBCs环境行为的矛盾推测。由于改性，EngBCs的稳定性可能会显著降低。然而，EngBCs上官能团的形成会增强它们与土壤矿物质的相互作用，形成生物炭-矿物复合物，从而保护EngBCs。EngBCs进入环境后的影响也不明确。因此，了解EngBCs的环境行为是至关重要的，这有助于减少潜在的风险，并按照可持续发展和环境安全的原则生产EngBCs。

关键词：生物炭改性，稳定性，毒性，土壤组分，有机污染物

1.引言

近年来，许多研究偏好集中在生物炭的应用与开发上，例如生物炭可提供养分和改善土壤物理性质来促进农业生产，而在土壤/水修复中，主要依赖于生物炭表面积大、表面官能团丰富以及由于其较高的化学和生物化学稳定性而实现的碳封存。在大多数情况下，原始生物炭的表面积相对较低，因此吸附容量较低。有目的的“剪裁”它们的特性，提高了它们在工程应用中的有效性。生物炭裁剪也被称为生物炭改性。大规模生产的生物炭及其改性产品也被称为工程生物炭(EngBCs)。几篇综述文章讨论了可用的修改方法。改性方法可分为四类，包括化学改性(酸、碱和氧化剂)，物理改性（蒸汽/气体，球磨和微波），金属浸渍(磁性修饰和纳米粒子修饰)或有机吸附剂(涂层)，以及生物改性。这些改性方法的主要目的是通过增加孔体积、表面积和表面官能团来提高吸附选择性或吸附容量。生物炭的改性可以在生物炭热解前和/或热解后进行修改。热解前的改性涉及到原料的处理，热解后的改性更常见，涉及到生物炭的处理。经过化学改性后，生物炭的官能团、微孔、比表面积和阳离子交换容量(CEC)都得到了改善，从而增强了对各种污染物的吸附能力。物理改性可以改变它们特定的尺寸和孔隙结构，而且比化学改性更有优势，因为这种改性干净、易于控制、成本低。然而，一些研究表明，物理改性(如蒸汽活化)可以去除生物炭表面官能团，导致芳香度的增加，并发现忽视了金属离子去除的改善。金属氧化物或有机吸附剂浸渍改性已被用于促进化学共沉淀和静电相互作用，或提高CEC和表面积。它也使生物炭具有一些独特的特性，如磁性驱动能力和在复杂介质中的高选择性。生物炭的生物改性通常是将经过细菌转化预处理的生物质或经生物膜处理后的生物炭制成生物炭。少数研究发现，覆盖在碳材料上的生物膜可以显著提高有机化学品的吸附和降解速率。从厌氧消化残渣中制备的生物炭对有机染料和重金属的吸附去除潜力很大。

最近，降解速度缓慢的原始生物炭的稳定性，作为一个潜在的碳汇能够减少温室气体排放吸引了人们的兴趣。然而，对EngBCs改性后的稳定性和性能的研究还不够重视。许多研究者只强调其去除污染物的能力和效率，而忽略了其稳定性的变化。由于EngBCs的物理化学性质发生了变化，它们的稳定性肯定也发生了变化，因为大多数改性方法涉及严苛的处理(如高温和低pH值)。生物炭的这些性质变化也会改变其与污染物(如重金属和有机污染物)以及土壤/沉积物中的矿物和有机成分的相互作用。这些过程可能对环境中的碳和营养物的循环，以及土壤和生物炭本身各种污染物的流动性和生物有效性产生严重影响。随着老化，这些EngBCs的生态毒理学特性可能发生显著变化。例如，改性纳米氧化锌或纳米镁 EngBCs的老化可能导致EngBCs中金属纳米粒子的释放，干扰自然过程，影响土壤或水体中的生物多样性。

随着生物炭技术的快速发展，了解生物炭的环境行为，包括环境的长期稳定性、与污染物和土壤组分的相互作用以及生物炭在其生命周期中的毒性，具有重要而紧迫的意义。近十年来，生物炭在世界范围内的应用急剧增加。在不久的将来，EngBCs将会在市场上普及。研究人员不仅需要确定针对特定工程目的的有效改性方法，还需要了解它们在老化过程中的结构转型和交替，以评估它们的生态毒性。然而，目前的研究并没有提供足够的关于EngBCs环境风险的信息。对EngBCs安全使用具有重要基础意义的研究包括:(1)在修饰/活化过程中或之后测定EngBCs本身的毒性;(2)探索其与目标污染物以及其他共存污染物和天然土壤/沉积物组分的相互作用机制;(3)在土壤老化过程中各种环境过程对其稳定性的检验。作为一种长期的土壤修复剂，了解EngBCs特性的动态变化对实际应用至关重要，这将优化EngBCs的生产，降低其潜在风险，确保生物炭技术的安全可持续发展。

2. EngBCs修饰

本节将简要讨论不同试剂和工艺对EngBCs的改性方法。

2.1 化学改性

HNO3 被广泛用作化学改性剂，以增加生物炭上的羧基丰度，可以显著提高金属污染物的去除效率，如cu2 。吸附量与pH有关，验证了含氧官能团在生物炭表面的活性吸附位点。 H3PO4 热解前处理增加了松树锯末的总孔体积和微孔含量。C结构中形成的P-O键起到骨干作用，防止热解过程中微孔发生振动，增强了对有机污染物的吸附能力。H2O2氧化是另一种常用的改性生物炭的方法。在H2O2 改性后，生物炭上羧基和阳离子交换位点的数量显著增加，有利于重金属的去除。例如，增强后的生物炭对铅的吸附能力可达到22.82 mg/g，是未改性生物炭的20倍。H2O2改性后的生物炭结构改变增加了水的可及性，降低了生物炭灰分含量，导致重金属吸附机理由碳酸盐/磷酸盐沉淀向羧基络合作用转变。生物炭的碱改性通常通过氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(NaOH)来增加含氧官能团和表面石墨碳的百分率，通过pi; -pi;相互作用增强对有机污染物的吸附。

2.2 物理改性

生物炭的物理改性方法主要有蒸汽/气体活化、微波改性和球磨。蒸汽活化是一种常用的物理改性方法，常用于增加孔隙率和清除杂质，以增加EngBCs的比表面积。最近的研究表明，与未活化的生物炭相比，蒸汽改性生物炭可使药物(磺胺二甲嗪)的去除率提高55% 。另一方面，Shim等人指出，蒸汽活化的EngBCs和原始生物炭具有类似的Cu2 吸附能力。他们发现，蒸汽活化显著增加了生物炭的表面积，但减少了官能团的数量。因此，蒸汽改性生物炭对非极性有机污染物的去除效果优于带电金属离子。微波改性是基于频率范围为300 MHz至300 GHz的高频电磁波。这种改性方法可以快速有效地均匀分配内能，在不直接接触的情况下加热生物质，创造出比常规低温热解过程具有更多的功能基团和更高的比表面积的EngBCs。Mohamed等指出与相同条件下常规热解制得的生物炭相比，微波诱导催化热解得到的生物炭可以增加沙土的持水能力(可达18.5%)、阳离子交换能力和肥力。与上述对生物炭的物理处理相比，球磨是一种相对较新的生产EngBCs的非平衡处理方法，它机械地将生物炭的粒度减小到超细(纳米级)颗粒。Lyu等证明，该技术可以增加生物炭表面的功能氧量，以及内外表面积。结果表明，处理后的生物炭对Ni2 的去除率(230 ~ 650 mmol/kg)高于未处理的生物炭(26 ~ 110 mmol/kg)。

2.3 通过浸渍金属氧化物或有机吸附剂进行表面改性

纳米粒子或有机吸附剂包覆的生物炭近年来受到广泛关注。例如，Wang等通过原子层沉积的薄膜涂层方法在生物炭表面包覆Al2O3 纳米粒子。他们发现，在第一个小时的吸附过程中，EngBCs上亚甲基蓝的吸附量几乎是未包覆生物炭的三倍。

由于大多数原始生物炭体积小、密度低，应用于污水处理或土壤修复后，很难去除和重复利用。因此，工程师们提出了一种有效的策略，通过磁化原始生物炭来增强分离效率。例如，Michalekova-Richveisova等人表明，外磁场可以很容易地回收浸铁的生物炭，并显示出对阴离子形式的磷的高去除效率。Mohan等人合成了磁性栎树皮生物炭和磁性栎树木生物炭，并通过化学共沉淀法和静电相互作用将水溶液中的铅、镉捕获后，利用低强度外磁场回收。

2.4 生物改性

生物质预处理并不是一种有意改造生物炭生产的方法。大多数研究提出利用热解工艺来减少生物燃料残渣、废水污泥的数量，提高能源效率。最近，多项研究表明，厌氧消化生物质转化成的生物炭是一种非常有效的重金属吸收剂。铅的吸附容量接近200 mmol/kg，与商用活性炭相当。生物膜改性生物炭是一种生物后改性方法。生物炭被细菌覆盖后，重金属和有机污染物的去除效率显著提高。一项使用生物膜改性软木生物炭的研究表明，环烷酸的去除率为87%，铁和铝的吸附是未改性生物炭的四倍。

如上所述，目前的研究大多集中在改善生物炭的性质上，并利用快速可控的实验室条件来展示其在水土修复中的广泛应用潜力。然而，EngBC在环境中的长期稳定性和生态毒性还没有得到很好的理解和解释。我们推测，随着生物炭改性的日益复杂，其在环境中的长期性能将变得越来越不可预测。因此，确定EngBC改性方法对EngBC的长期稳定性和生态毒性的影响是迫切需要研究的问题。

3 EngBCs老化

虽然生物炭由于其相对稳定的碳结构而被认为是一种固碳剂，但它实际上会根据环境条件发生长期变化。大量研究表明，生物炭通过发生在土壤中的生物和非生物过程，在环境中发生物理和生化变化，通常称为老化。因此，生物炭的物理化学性质在其连续老化阶段有所不同，并将与新鲜的生物炭有本质上的不同。最近,探讨了生物炭在土壤环境中的结构性变化,以及一些因素已确定可控制老化过程,包括生物炭和土壤成分之间的相互作用(如通过物理包埋溶解有机和无机物质)、微生物(生物过程)和植物根系(化学过程)。

3.1 生物老化过程

研究表明，田间生物和非生物过程引起生物炭结构的主要变化，包括芳香结构(稳定C)和脂肪族C(反应C)。生物炭作为土壤改良剂被认为是土壤微生物的重要栖息地。因此，生物炭与生物过程密切相关。有研究证实，在土壤上施用生物炭可以改变微生物的碳利用概况和种群结构。因此，土壤呼吸作用随土壤类型的不同而不同。部分土壤微生物可能以生物炭为碳源，生物炭的降解甚至矿化都是由生物过程介导的。研究表明，在生物炭的早期老化过程中，脂肪族C被土壤微生物矿化。在生物炭结构中，脂肪族C是芳香基团的连接或作为芳香层的侧枝存在。因此，在老化过程中，芳香C会被释放到环境中，反应C与稳定C的比值随着时间的推移而变化。Hockaday等指出，土壤真菌负责焦炭的降解，形成类似氧化缩聚芳香环结构的水溶性分子。位于结构边缘的苯环由于与较大的芳香基团相连的键数比位于核心内的环少而脱落。在断键位点，附加的官能团出现，从而形成表面氧化的生物炭。由于失去了最不稳定的部分，表面氧化的生物炭越来越难以进一步分解。在老化的最后阶段，由表面开始的降解逐渐转移到材料内部结构中，导致芳烃基团的尺寸减小，甚至只形成几个表面官能团众多的(~ 6)共轭苯环。

除了生物炭的直接生物降解/矿化外，间接的生物过程也改变了生物炭在土壤中的命运，如胞外酶的排泄。例如，腐生植物可以潜在地影响生物炭的持久性，因为它们的侵入性菌丝生长和胞外酶使它们能够在生物炭孔隙中形成菌落，这可能导致生物炭碎片化。除胞外酶外，微生物活动过程中的其他分泌物也会极大地改变生物炭的微环境，从而促进其老化。活跃的分泌物包括碳氧化合物CO2, NOx, NH3，根源信号分子和根际化感物质。CO2 和NH3 会改变生物炭表面附近的pH值环境。生物炭的应用可以改变根源信号分子的产生和强度，并解毒阻碍菌根建立的根际化感物质，因此，增强的微生物和植物根系活性可能加速生物炭的老化过程。

一些土壤动物可能以生物炭为食物来源。这些动物不太可能完全消化生物炭。然而，由于生物炭与分泌物中的消化液或其他化学物质相互作用，推测土壤动物粪便中存在完全不同的生物炭颗粒是合理的。这些EngBCs属性的变化没有经过仔细的调查研究，因此，它们在土壤中的归趋、运移和老化过程仍然是未知的。

EngBCs可以被认为是已经老化的生物炭，特别是通过化学氧化改性的生物炭。化学氧化后，生物炭的氧官能团明显增加。高含量的O-或N-官能团可以增加生物炭的活性，而活性官能团和非芳香C结构是生物炭活性组分的主要组成部分，易在土壤中被生物降解。基于这些原因，我们可以推测EngBC在早期老化阶段可能不如常规生物炭稳定(图1)。

图1 Fe3O4修改的EngBCs可能的老化过程。经Fe处理后，Fe3O4 修改后的EngBC对污染物的去除性能显著提高。然而，随着老化过程，生物炭的功能可能会急剧下降

3.2 非生物老化和物理包埋流程 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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