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环境保护及修复
烟台海岸带研究所在生物炭土壤重金属污染修复材料的应用及其环境安全性研究方面取得系列进展
发展新型高效的生物炭材料对于我国污染土壤的修复治理具有重要意义。同时,需要科学评价生物炭材料用于重金属污染土壤稳定化修复的潜力及其潜在的环境风险。
 
中国科学院烟台海岸带研究所韦婧博士利用来源广泛的粘土矿物和碳水化合物,以及滨海农业废弃料菊芋秸秆为原料,分别制备了低温型水热纳米炭-蒙脱石复合材料及系列限氧热解菊芋秸秆生物炭材料。综合利用利用同步辐射软X射线谱学显微技术(STXM)、X射线近边吸收谱(XANES)、高分辨率透射电镜-能谱仪、X射线衍射仪等分析手段,全面表征了不同炭质材料的理化性质与结构特征,提出制备所得生物炭材料主要通过还原、络合、阳离子-π作用、表面沉淀和离子交换作用对目标重金属污染物(Cr(VI)、Cu(II))进行固持。上述工作深入研究了生物炭材料对重金属的固持过程和分子机制,研究结果发表在国际著名学术期刊Journal of Hazardous Materials(IF=7.650)和Environmental Pollution(IF=5.714)。
 
▲水热纳米炭-蒙脱石材料(CMt)及其与Cr(VI)反应后表面形成Cr沉淀颗粒的TEM图片(a),在pH 2和pH 8条件下CMt表面Cr(III)、Cr(VI)的微区分布STXM成像(b),以及反应后CMt表面固持各形态铬所占总铬的百分比(Cr K边XANES分析结果)(c)。
 
▲盐生植物-菊芋秸秆生物炭对重金属Cu的固持机制
 
随着生物炭材料施入土壤,其引入的溶解性有机质(DOM)将对土壤重金属污染物的环境行为产生影响。为评价生物炭材料用于重金属污染土壤稳定化修复的环境安全性,综合利用同步辐射X射线近边吸收谱、三维荧光-平行因子分析以及二维相关分析等分子光谱学技术与化学计量学方法,定量解析了不同前体物(如菊芋秸秆、菜籽饼)及温度条件(300、500、700℃)制备所得生物炭释放溶解性有机质(DOM)的组分特征及其与重金属(Cu)的结合参数(容量、强度及顺序等),结果表明相较于低温条件制备生物炭,高温生物炭释放出的DOM含量较低,且其对Cu的结合容量有限;DOM组分中类胡敏酸组分优先与Cu结合,且结合容量大、强度高。上述研究从分子层面深入揭示了生物炭溶解性有机质与重金属污染物的结合过程机制,研究结果近期分别发表在国际老牌学术期刊Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology(ESI高被引和热点论文)和Science of The Total Environment(IF=5.589)。
 
▲热解温度对生物炭溶解性有机质的分子特征及对铜的结合特性的影响(以菜籽饼生物炭(RSC)为例)。
 
以上系列研究得到了国家自然科学基金(41501522, 41977139)、国家重点研发计划(2016YFD0200303, 2016YFE0106400)、中国科学院“百人计划”(Y629041021)、烟台市重点研发计划(2019XDHZ104)等项目的支持。
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