水生植物生物质炭在环境领域应用的研究进展0001.docx

水生植物生物质炭在环境领域应用的研究进展以水生植物为原料制备生物质炭，可以实现富营养化水体中藻类和湿地生 态修复中废弃物的资源化生物质炭作为一种廉价的缓释肥料载体和吸附剂，能 被用于土壤改良，可以吸附富营养化水体中氮、磷元素，吸附污染环境中多种重 金属污染物和有机污染物在我国，利用水生植物制备生物质炭还处于起步阶段， 仍然有许多问题值得深入探讨标签：水生植物；生物质炭；吸附；污染物生物质炭是生物质在缺氧或低氧的条件下，一般在300〜1000 °C范围内经 热解或碳化而得到的一类富含碳元素、高度难溶的多孔细小颗粒物质［1］相比 生物质而言，生物质炭具有高度羧酸酯化和芳香化结构，在土壤环境中不易被微 生物利用，并且能提高土壤的碳含量以及固定大气中CO2,在一定程度上减缓 温室气体对全球气候的影响［2］生物质炭具有高度稳定性、抗氧化、抗生物分 解、吸附能力强等特性，可广泛应用于农业、工业、能源、环境等领域3-4］水 生植物包括水生高等植物、浮游藻类和固着藻类等长期适应和生活在水域环境中 的植物水生高等植物芦苇、香蒲、凤眼莲、苦草等是人工湿地生态系统中用于 生态修复的常用物种，大量的植物残体如果不及时收获移除，任其在水体中腐烂 会导致水体污染，水质恶化，产生二次污染。

浮游藻类，特别是蓝藻在富营养化 水体中能迅速繁殖，大量打捞的蓝藻得不到及时有效的处理，长期堆积导致腐烂 发臭，也会对环境造成二次污染因此，以水生植物为原料制备生物质炭，可以 实现富营养化水体中藻类和湿地生态修复中废弃物的资源化［5-6］2.生物质炭在环境领域的应用2.1改良土壤利用水生植物制备的生物质炭表面具有大量的亲水基团，具 有一定的吸水能力，可用于提高土壤的持水量水生植物生物质炭含有丰富的矿 质元素，如氮、磷、钾、钙、镁等，可用于增加土壤中养分含量，特别适用于贫 瘠土壤或沙质土壤水生植物生物质炭一般具有较大的孔隙度和比表面积，不仅 可以降低土壤容重，还能提高土壤通气性有研究利用生物质炭作为缓释肥料载 体，结果表明生物质炭可以延缓肥料养分的释放过程，提高养分的利用率，在释 放完负载的养分后，生物质炭还可以发挥改良土壤和固碳减排的作用［7-9］目前， 利用水生植物生物质炭作为缓释肥料载体的研究还很少2.2修复污染环境生物质炭作为一种廉价的吸附剂，可以吸附很多常见的 污染物［10］由于在碳化过程中，水生植物原料的非碳元素分解后形成很多孔洞 使其表面积增大，同时富含羟基，羧基，内酯等官能团，使其具有很强的吸附能 力，可以有效吸附富营养化水体中氮、磷元素，吸附污染环境中多种重金属污染 物和有机污染物，也可用于处理印染等工业废水［11-12］。

2.2.1吸附营养盐水生植物生物质炭能用于吸附富营养化水体中氮、磷等 营养元素，这也是近年来生物质炭研究的热点之一研究发现，水生植物生物质 炭对氮、磷吸附能力不强，需要通过探究不同的改性方法来提高生物质炭对氮、 磷的吸附能力［13］唐登勇等以芦苇为原料，用氯化铁进行改性，研究了铁改性 芦苇炭对水中低浓度磷的吸附特征［14］；王博等利用HCl对香蒲和芦苇生物炭改 性，比较其吸附规律［15］将吸附氮、磷等营养元素后的生物质炭施用到土壤中， 同时可以作为一种缓释肥料来增加土壤肥力2.2.2吸附重金属水生植物生物质炭可以吸附多种重金属，将污染环境中 重金属固定，降低重金属的移勤性和生物有效性尽管生物质炭对重金属离子的 吸附量较小，但其成本低廉、来源广泛且对环境危害小，具有较好的应用前景， 研究表明，将生物质材料进行改性可提高其对重金属离子的吸附性能［16］吴晴 雯等研究了芦苇生物炭对Ni2+的吸附特性［17］；郑孟杰等选取常见的沉水植物眼 子菜、苦草和金鱼藻制备生物质炭，比较其对Cr6+的吸附量［18］2.2.3吸附有机污染物生物质炭通常能够吸附有机农药、石油烃类、多氯 联苯和多环芳烃等有机污染物，可以作为一种廉价高效的吸附剂用于有机污染物 的治理。

其次，生物质炭也可以通过增加环境中微生物的量或者激活土著微生物 的活性，从而实现对环境中有机污染物的降解此外，生物质炭还能有效地吸附 废水中的工业染料，如亚甲基蓝、酸性大红和橙黄G等［3］张明月等研究了芦 苇生物炭对亚甲基蓝的吸附特性［19］；史宸菲等以蓝藻为原料制备生物质炭，将 其作为过硫酸盐活化剂用于偶氮染料橙黄G的降解去除［20］3.展望生物质炭能被广泛应用于土壤改良、环境修复、固碳减排等方面在我国， 对生物质炭的研究还处于发展阶段，而利用水生植物制备生物质炭，则处于起步 阶段，仍然有许多问题值得深入研究1) 目前，水生植物生物质炭的制备和应用几乎都是实验室研究或小试阶 段，离工业化生产和市场化应用有较大的差距在实际应用的推广中会由于规模、 环境条件等因素而面临一些挑战，如藻类等水生植物的来源不够稳定、缺乏野外 和长期应用效果评价等2) 水生植物生物质炭吸附污染物的机理研究还处于定性描述阶段，利用 更多手段进行水生植物生物质炭表征分析，探究生物质炭的孔隙结构或表面官能 团对污染物吸附贡献的关系也是未来研究的重点之一3) 虽然生物质炭的应用范围很广，具有很高的潜在效益，但对于新型环 境产品的生态风险评价不容忽视。

水生植物生物质炭可以应用到农业、环境生态 修复等与人类关系密切的领域，今后应进一步开展其应用的生态风险评价参考文献［1］Antal M J， Grnli M. The art， science， and technology of charcoal production ［J］. Industrial and Engineering Chemistry Research， 2003， 42 (8)：1619-1640.[2] Lehmann J. A handful of carbon [J]. Nature, 2007, 447: 143-144.[3] 李丽.生物质炭改性及其与微生物联合脱氮除磷研究[D].南京：南京大 学，2015.[4] 钟晓晓，王涛，原文丽，等.生物炭的制备、改性及其环境效应研究 进展[J].湖南师范大学自然科学学报，2017， 40(5)： 44-50.[5] 杨柳燕，张文，陈乾坤，等.大型水生植物的资源化利用[J].水资源 保护，2016，32(5)： 5-10.[6] 潘亚男，陈灿，王欣，等.凤眼莲源生物炭对土壤As、Hg、Cd溶 出特性与化学形态的影响[J].环境科学学报，2017， 37(6)： 2342-2350.[7] 钟雪梅，朱义年，刘杰，等.竹炭包膜对肥料氮淋溶和有效性的影响 [J].农业环境科学学报，2006，25(1)： 154-157.[8] Magrini-Bair K A， Czernik S， Pilath H M， et al. Biomass derived， carbon sequestering， designed fertilizers [J]. Annals of Environmental Science， 2009， 3： 217-225.[9] Yao Y， Gao B， Chen J， et al. Engineered biochar reclaiming phosphate from aqueous solutions: mechanisms and potential application as a slow-release fertilizer [J]. Environmental Science and Technology， 2013， 47： 8700-8708.[10] 黄燕宁，王晓，张宏杰，等.污泥生物炭的研究进展[J].功能材料， 2017， 48(9)： 9024-9029.[11] 强宝，张宏伟，张雪花，等.生物活性炭技术在水处理中的研究应用 进展[J].工业水处理，2008，28 (7)： 6-8.[12] Ahmad M， Rajapaksha A U， Lim J E， et al. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water： a review[J]. Chemosphere， 2014， 99(3)： 19-33.[13] Bock E， Smith N， Rogers M， et al. Enhanced nitrate and phosphate removal in a denitrifying bioreactor with biochar[J]. Journal of Environmental Quality， 2015， 44 (2)： 605-613.[14] 唐登勇，黄越，胥瑞晨，等.改性芦苇生物炭对水中低浓度磷的吸附 特征[J].环境科学，2016， 37 (6)： 2195-2201.[15] 王博，叶春，李法云，等.水生植物制生物炭对硝态氮的吸附规律研 究[J].中国环境科学，2017， 37 (1)： 116-122.[16] Ngah W S W, Hanafiah M. Removal of heavy metal ions from waste-water by chemically modified plant wastes as adsorbents: A review [J]. Bioresource Technology, 2008, 99 （10）： 3935-3948.[17] 吴晴雯，孟梁，张志豪，等.芦苇秸秆生物炭对水体中重金属Ni2+ 的吸附特性[J].环境化学，2015，34（9）： 1703-1709.[18] 郑孟杰，李继洲，靳红梅，等.沉水植物生物炭对Cr6+和磷的吸附 特性[J].生态与农村环境学报，2017， 33（12）： 1132-1139.[19] 张明月，李锋民，卢伦，等.芦苇生物炭对亚甲基蓝的吸附特性研究 [J].中国海洋大学学报（自然科学版），2016， 46（12）： 96-103.[20] 史宸菲，李雨y蒙，冯瑞杰，等.蓝藻生物炭的制备及对过硫酸盐的活 化效能[J].生态与农村环境学报，2017， 33 （12）： 1140-1145.作者简介：胡志新（1980〜），男，湖北省武汉人，博士，讲师，主要从事 湖泊生态学和水污染控制研究。