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土壤是地球生态系统的重要组成部分,为人类及各种生物提供了赖以生存的物质基础,与人类生存环境息息相关。近年来随着社会经济的发展,土壤重金属污染日益严重,已严重危害人体健康,土壤重金属污染治理已经到了刻不容缓的地步。生物炭因其独特的理化性质,常被当做改良剂和钝化剂施加到受污染的土壤中。然而,由于普通生物炭存在固定效果不确定、养分含量低等问题,限制了其大面积推广应用。在此背景下,具有多重环境效益的改性生物炭材料日益受到关注。本研究以玉米秸秆、重过磷酸钙、硅藻土(蛭石)、KOH和尿素为原料制备纯炭Bx、硅藻土改性生物炭d B5PNx和d B10PNx;经过KOH溶液浸渍的纯炭KBx、硅藻土改性生物炭d KB5PNx和d KB10PNx以及蛭石改性生物炭v KB5PNx和v KB10PNx。借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、元素分析、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、比表面积及孔径分析(BET)等现代化手段,系统地研究了不同改性方法、不同热解温度、不同原料配比下制备的生物炭材料的理化性质和微观形貌及组成。基于室内钝化培养实验,通过分析不同钝化时间内土壤中Cd、Pb有效态及赋存形态变化,评价生物炭材料对土壤中Cd、Pb的钝化效应。主要结论如下:(1)生物炭材料的理化性质分析表明:与纯炭Bx相比,经硅藻土、重过磷酸钙改性后的生物炭材料d B5PNx和d B10PNx比表面积显著增大,官能团含量增加;在碱性条件下经硅藻土(蛭石)、重过磷酸钙改性后的生物炭材料d KB5PNx、d KB10PNx、v KB5PNx与v KB10PNx出现更多的官能团,如N-H、PO43-、Si-O-Si和Si-H等官能团,且比表面积相比未碱改性的生物炭材料明显增大。纯炭及改性生物炭材料的p H值随温度的升高逐渐增大,表面含氧官能团和平均孔径随温度升高逐渐减小;而比表面积随温度升高明显增加。(2)硅藻土改性生物炭对土壤中Cd的钝化效应研究表明:施加生物炭材料后降低了土壤中Cd有效态含量,促进了其从弱酸态向残渣态的迁移转化。生物炭材料对土壤Cd的钝化效果整体表现为:d KB10PNx>d KB5PNx>KBx>d B5PNx>d B10PNx>Bx;其中,d KB10PNx对重金属Cd有效态的钝化率高达24.22%;不同热解温度条件下制备的生物炭材料对土壤中Cd的钝化效果整体表现为:热解温度为600℃、750℃时制备的生物炭材料优于热解温度为300℃、450℃时制备的生物炭材料;投加量对生物炭材料钝化Cd的效果整体表现为3%>1%>0.1%。机理分析表明:引入硅藻土和重过磷酸钙后,与纯炭Bx相比改性生物炭d B5PNx和d B10PNx比表面积增大,官能团含量增加,对土壤中Cd的钝化效果增强;碱性条件下改性生物炭d KB5PNx和d KB10PNx与未碱改性的生物炭材料相比官能团的特征峰更加明显,p H值、比表面积增大。更利于与土壤中Cd2+形成氢氧化物、碳酸盐或磷酸盐沉淀,降低其生物可利用性。(3)硅藻土改性生物炭对土壤中Pb的钝化效应研究表明:施加生物炭材料后重金属Pb有效态含量减少,生物可利用性降低。生物炭材料对土壤中Pb的钝化效果整体表现为:d KB5PNx>d KB10PNx>KBx>d B5PNx>d B10PNx>Bx,其中d KB5PNx对有效态Pb的钝化率高达26.84%;不同热解温度条件下制备的生物炭材料对土壤中Pb的钝化效果表现为:整体上随温度的升高而增加;投加量对生物炭材料钝化土壤Pb表现为:3%>1%>0.1%。机理分析表明:施加生物炭材料后土壤Pb有效态的含量下降显著,但其赋存形态的迁移转化规律却不明显,主要是因为重金属Cd2+、Pb2+存在吸附竞争关系,吸附点位首先被Cd2+占据,对Pb2+的吸附钝化主要以表面吸附为主,所以重金属Pb有效态含量降幅较大,但却没有生成稳定的络合物或配合物,未能显著促进其从弱酸态向残渣态的迁移转化。(4)蛭石改性生物炭对土壤中Cd的钝化效应研究表明:纯炭KBx、蛭石改性生物炭v KB5PNx和v KB10PNx对土壤Cd的钝化效果为:v KB5PNx>v KB10PNx>KBx,其中v KB5PNx对有效态Cd的钝化率高达27.52%,但其生物可利用性降低效果却不显著。(5)蛭石改性生物炭对土壤中Pb的钝化效应研究表明:与纯炭KBx相比,改性生物炭v KB5PNx和v KB10PNx在不同配比、不同时间、不同投加量条件下对重金属Pb有效态具有较高的钝化效果,且促进了Pb从可还原态向残渣态的迁移转化;其中,v KB5PNx处理中土壤Pb有效态含量降低27.24%。碱性条件下蛭石改性生物炭的比表面积大,官能团含量增加、p H值升高,更利于将土壤中Pb转化成稳定的残渣态。综上所述,碱性条件下制备的硅藻土改性生物炭d KB5PNx和d KB10PNx对土壤中Cd的钝化效果最佳。d KB10PNx处理中土壤Cd生物可利用性降低12.75%,有效态含量降低24.22%;投加d KB5PNx后土壤中Cd生物可利用性降低11.42%,有效态含量降低26.39%。蛭石改性生物炭v KB5PNx和v KB10PNx对土壤Pb的钝化效果最佳,v KB5PNx处理中土壤中Pb生物可利用性降低11.77%,有效态含量降低27.24%;v KB10PNx处理中土壤Pb生物可利用性降低11.16%,有效态含量降低29.67%。