生物炭过滤电极的效能优化及其在实际修复重金属污染土壤中的应用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Efficacy Optimization of Biochar Filtration Electrode and Its Practical Application in Remediating Actual Heavy Metal-Contaminated Soil

　　

中国昆明理工大学环境科学与工程学院，云南省土壤碳封存与污染控制重点实验室，昆明，650500

摘要

传统的重金属（HM）污染土壤修复方法通常成本高昂，会对土壤造成严重破坏，并产生二次废水。将生物炭过滤电极（BFE）与淋溶技术结合使用，为再生淋溶剂和去除重金属提供了一种有前景的可持续方法。然而，关键BFE制备参数对修复效果的影响尚不明确，且在实际受污染土壤中的验证也有限。本文优化了稻草衍生生物炭过滤电极，并评估了其在实际污染土壤中的性能。在700℃下制备、含有0.7毫米生物炭层的BFE表现出最佳性能，这归功于其较大的反应表面积和快速的电子传输能力。使用BFE700时，溶液中Zn、Pb和Cd的去除效率分别达到97.53 ± 0.55%、94.03 ± 0.90%和98.52 ± 0.06%。在受重金属污染的田间土壤中，可提取的Zn、Pb和Cd的去除效率均超过84%，且这些重金属主要转化为残留组分。在修复后的土壤中生长的豌豆植株与未受污染土壤中的植株生长情况相当，植株中的重金属浓度也符合安全标准。这些结果表明，优化BFE制备参数显著提高了重金属的去除效果，支持其在实际重金属污染土壤修复中的应用。

引言

重金属（HM）对土壤的污染是一个全球性的环境问题，威胁着生态系统的稳定性、粮食安全和人类健康[1]、[2]。集约化的采矿、冶炼和工业活动导致重金属在土壤中长期积累[3]，这些重金属可以转化为具有高迁移性和生物可利用性的酸溶性及可还原性形式[4]。这些易迁移的形式容易被植物根系吸收，并通过食物链传播[5]。对于重金属浓度超过风险干预值的土壤[6]，修复不仅应降低总重金属含量，更重要的是减少其生物可利用部分，恢复土壤生产力，以便安全可持续地利用土地。

传统的修复方法，包括土壤置换[7]和固化/稳定化[8]、[9]，可以迅速降低重金属暴露风险，但往往成本高昂、破坏性强[10]，且主要侧重于隔离而非去除[11]。植物修复和微生物辅助方法更加环保，但处理周期长、重金属吸收效率低，在共污染土壤中的效果较差[12]。使用乙二胺四乙酸（EDTA）等螯合剂清洗土壤可以有效去除重金属，因为它们能形成稳定的复合物[13]、[14]。然而，这种方法会消耗大量化学物质，产生难以处理的渗滤液，并严重破坏土壤结构和肥力[15]，从而限制了其在实际应用中的长期可持续性。

为了解决这些问题，电化学耦合淋溶技术作为一种闭环策略应运而生[16]。在这种方法中，螯合剂首先将污染物从土壤中释放出来，然后通过电化学处理再生淋溶剂以供重复使用[17]。结合电化学过滤设备的循环土壤清洗方法可以同时捕获溶解态重金属、再生清洗剂，并可能减少二次污染和养分损失。然而，传统过滤电极（如碳毡和其他工程碳材料）的高成本和制造复杂性仍阻碍了这一技术的实际应用[18]，因此需要开发低成本、易于制造且可扩展的电极平台。生物炭作为一种可持续的电极前体材料受到越来越多的关注，因为它成本低廉、原料来源丰富、孔结构可调，有利于污染物吸附和电化学反应[19]。

我们之前的研究表明，将生物炭过滤电极（BFE）与EDTA淋溶结合使用，可以通过电吸附和电沉积实现重金属的去除和淋溶液的现场再生。用酸清洗可以再生用过的电极并保持其长期稳定性。在相同条件下，BFE辅助修复方法的处理成本约为传统EDTA清洗方法的27.6%，显示出其经济潜力[20]。这些结果表明，该方法可以提高土壤清洗的成本效益和可持续性。然而，之前的BFE辅助研究大多在人工污染的实验室环境中进行[20]、[21]。因此，关键BFE制备参数的影响仍不清晰，该系统在实际重金属污染土壤中的适用性也尚未得到充分验证。目前尚不清楚电极制备参数如何影响BFE的结构和修复效果，以及优化后的系统是否可以在实际污染土壤中安全有效地应用。

本研究使用在300℃、500℃和700℃下制备的稻草衍生生物炭（分别代表低温、中温和高温热解条件[22]、[23]）来制造BFE，并系统评估了热解温度和生物炭层厚度对电极结构和修复效果的影响。优化后的BFE被应用于EDTA淋溶循环中，用于修复两块实际采集的受重金属污染的土壤。通过参数优化、在实际污染土壤中的验证和生态安全性评估，本研究提供了支持生物炭辅助土壤清洗实际应用的证据。

节选

生物炭和BFE的制备

来自中国绥瑞农产品深加工公司的稻草经过清洗、80℃干燥、研磨后通过100目筛网过滤，然后用于炭化。在加热前，用氮气冲洗炉子20分钟作为保护气体。以10℃/分钟的程序升温速率将温度从室温升至300℃、500℃和700℃。每个温度下保持炭化4小时。

生物炭和BFE的特性

我们系统研究了热解温度对稻草衍生生物炭特性的影响。在300℃下制备的生物炭（BC300）热解不完全，挥发分释放有限，孔结构简单，比表面积低（2.5平方米/克）。随着热解温度的升高，半纤维素、纤维素和木质素逐渐分解，促进了挥发性成分的释放、孔隙的开裂和结构重组[25]、[26]。

结论

本研究确定了BFE在修复重金属污染土壤中的最佳制备和应用条件。在700℃的热解温度和0.7毫米的生物炭层厚度下，BFE与淋溶结合使用有效去除了Zn、Pb和Cd，并通过将其转化为残留组分降低了它们的环境风险。植物测试证实修复后的土壤生态安全性得到改善，重金属富集的可能性较低。总体而言，这种方法具有很大潜力。

CRediT作者贡献声明

赵峰：撰写、审稿与编辑，监督。潘波：撰写、审稿与编辑，资金获取。罗汉涛：方法学研究、数据分析。周国利：方法学研究、实验设计。张鹏：撰写、审稿与编辑、监督、方法学研究、资金获取、概念构思。丁忠金：初稿撰写、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3709104）和中国国家自然科学基金（42277236和42567033）的支持。

所有作者均参与了研究的构思和设计。张鹏负责概念构思、方法学研究、监督、验证以及撰写和审稿；丁忠金负责实验设计、数据管理、数据分析、可视化处理和初稿撰写；其他作者参与了材料准备等工作。