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生物质炭在重金属-PAEs复合污染土壤修复中的吸附机制与应用前景

一、引言

1.1研究背景与意义

土壤，作为人类赖以生存的重要自然资源，不仅是农作物生长的基础，还在生态系统中发挥着至关重要的作用，如水分涵养、养分循环和污染物缓冲等。然而，随着工业化、城市化以及农业集约化的快速发展，土壤污染问题日益严峻，对生态环境和人类健康构成了巨大威胁。据相关调查显示，我国部分地区土壤污染状况不容乐观，全国土壤总的超标率达到16.1%，其中耕地土壤点位超标率更是高达19.4%，主要污染物包含重金属、有机污染物等。

重金属污染是土壤污染的重要类型之一，常见的重金属污染物有铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）等。这些重金属具有毒性大、难降解、易积累的特点，它们一旦进入土壤，便会长期存在，并通过食物链在生物体内富集。土壤中过量的重金属会抑制植物的生长发育，降低农作物的产量和品质，还可能通过食物链进入人体，对人体的神经系统、免疫系统、生殖系统等造成损害。例如，铅会影响儿童的智力发育，镉可引发“痛痛病”，汞会损害人体的神经系统和肾脏功能。

邻苯二甲酸酯（PAEs）作为一类广泛使用的有机化合物，被大量应用于塑料制造、化妆品、农药等行业。由于其与塑料分子之间并非通过化学键结合，而是以较弱的范德华力相互作用，因此在使用过程中极易释放到环境中，进而污染土壤。PAEs具有内分泌干扰作用，可干扰生物体内激素的正常分泌和调节，对生物体的生殖、发育和免疫等系统产生不良影响。有研究表明，长期暴露于PAEs环境中，可能导致动物生殖器官发育异常、生育率下降以及免疫系统功能受损等问题。在农业生产中，使用含有PAEs的塑料制品，如农膜、灌溉管道等，以及不合理地施用农药和化肥，都可能导致土壤中PAEs含量增加。

更为严峻的是，在实际环境中，土壤往往同时受到重金属与PAEs的复合污染。这种复合污染的情况比单一污染更为复杂，两种污染物之间可能发生相互作用，从而改变彼此的环境行为和生物有效性，其对生态系统和人类健康的影响也更加难以预测和评估。重金属可能会影响PAEs在土壤中的吸附、解吸和降解过程，而PAEs也可能改变重金属的化学形态和迁移性，增加其生物可利用性。有研究发现，在重金属-PAEs复合污染的土壤中，PAEs会促进重金属从土壤颗粒表面解吸，使其更容易被植物吸收，进而加剧对植物的毒害作用。

目前，针对土壤重金属与PAEs复合污染的修复方法主要有物理修复、化学修复和生物修复等。物理修复方法如土壤淋洗、热解吸等，虽然能够有效去除污染物，但往往成本较高，且容易破坏土壤结构；化学修复方法如添加化学稳定剂、氧化剂等，可能会引入二次污染；生物修复方法如植物修复、微生物修复等，虽然具有环境友好、成本较低等优点，但修复效率相对较低，修复周期较长。因此，开发高效、环保、经济的修复技术迫在眉睫。

生物质炭作为一种由生物质在缺氧或限氧条件下热解或气化生成的富含碳的固态产物，具有多孔性、高比表面积、高吸附性能等特点，能够有效吸附和固定土壤中的重金属离子和有机污染物。其来源广泛，包括农业废弃物、林业废弃物、动物粪便等，是一种可再生资源。将生物质炭应用于重金属-PAEs复合污染土壤的修复，不仅可以实现废弃物的资源化利用，还可能通过其对污染物的吸附作用，降低污染物的生物有效性和迁移性，从而达到修复土壤的目的。研究生物质炭对重金属-PAEs复合污染土壤中污染物吸附行为的影响，对于揭示生物质炭修复复合污染土壤的机制，开发新型高效的土壤修复技术具有重要的理论意义；同时，也为解决土壤复合污染问题，保障土壤生态环境安全和农业可持续发展提供了新的思路和方法，具有重要的现实意义。

1.2研究目的与内容

本研究旨在深入探究生物质炭对重金属-PAEs复合污染土壤中污染物吸附行为的影响，揭示其作用机制，为开发高效、环保的土壤修复技术提供理论依据和实践指导。具体研究内容如下：

生物质炭的制备与表征：选用常见的农业废弃物（如秸秆、稻壳等）作为原料，采用热解或水热碳化等方法制备生物质炭。通过扫描电子显微镜（SEM）、比表面积分析仪（BET）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）等仪器对生物质炭的微观结构、比表面积、孔隙特征、表面官能团等进行详细表征，明确生物质炭的基本理化性质，为后续研究其对污染物的吸附性能奠定基础。

生物质炭对复合污染土壤中重金属吸附行为的影响：以铅（Pb）、镉（Cd）等典型重金属为研究对象，研究不同添加量的生物质炭对复合污染土壤中重金属吸附等温线、吸附动力学的影响。采用批量平衡法，将不同浓度的重金属溶液与添加了生物质炭的土壤样品混合，在一定条件下振荡平衡后，测定溶液中重金属的浓度，绘制吸附等温线，运用Langmuir、Freu