土壤重金属污染是一个全球性的环境问题。据2014年《全国土壤污染状调查公报》显示，全国土壤无机污染物的超标点位数占全部超标点位数的82. 8%，主要的无机污染物元素为镉、镍、砷、铜、汞、铅、铬和锌，其点位超标率分别为7. 0%、4. 8%、2. 7%、2. 1%、1. 6%、1. 5%、1. 1% 和0. 9%。
土壤重金属会通过作物吸收和食物链传播等方式危害人体健康，因此，土壤重金属的修复与治理成为保证我国粮食安全的重要策略。土壤重金属的固化稳定化技术具有成本较低，操作简单，见效快，适合大面积推广的优势，在土壤重金属治理中具有不可替代的作用。
生物炭是生物质能原料(包括植物根茎、作物秸秆、木屑、动物骨头、动物粪便等有机垃圾)经热裂解之后得到的一种富碳物质，具有比表面积大、阳离子交换量高、官能团丰富、化学和生物学稳定性高等特点，能有效降低土壤中重金属的迁移性和生物有效性，是当前土壤重金属修复领域的研究热点之一。
生物炭之所以能有效“降”住土壤中的重金属，在于它具有多种本领，主要包括阳离子–π作用、离子交换、络合反应、共沉淀反应、氧化还原作用和静电吸附等。
阳离子–π作用
阳离子–π作用的通式为：
C–π 2H2O → C–π–H3O OH–；C–π–H3O M → C–π–M H3O (M代表重金属)。
阳离子–π作用强度受生物炭表面芳香化程度的影响，π共轭芳香结构越丰富，电子供给能力越强。生物炭的芳香程度随裂解温度的升高而增强，当裂解温度>500 ℃时，生物炭的π共轭芳香结构更为丰富。
离子交换
生物炭表面存在大量羟基、羧基等酸性官能团，这些官能团可提供H 与重金属离子进行离子交换。离子交换的本质为生物炭表面带负电荷基团与带正电荷的金属离子发生静电作用，属于非专性吸附，吸附能力较低。该反应通式可表达为：
2Surf–OH M2 → (Surf–O)2M 2H (与表面酸性官能团交换，M代表重金属)；
2Surf–ONa M2 → (Surf–O)2M 2Na （与表面盐基离子交换，M代表重金属)。
络合作用
生物炭表面富含的羧基、磷酰基、羟基、硫酸酯基、氨基和酰胺基，它们中的氢、氮、氧、磷、硫可作为配位原子与重金属离子配位络合，其中参与表面络合的官能团主要是含氧官能团，尤其是羧基和酚羟基，其反应通式可表达为：
Surf–OH M2 H2O → Surf–OM– H3O （M代表重金属）；
Surf–COOH M2 H2O→Surf–COOM– H3O （M代表重金属）。
共沉淀作用
生物炭中的K 、Ca2 、Mg2 、SO42–、PO43–、CO32–等矿物质成分可与重金属离子结合形成盐沉淀物，降低重金属迁移性。例如：Cl–、OH–、CO32–、SO42–、PO43–等阴离子可与Pb2 生成PbCO3、Pb5(PO4)3OH 等沉淀，与Cd2 生成Cd3(PO4)2、CdCO3沉淀。
静电吸附
静电吸附在生物炭吸附重金属机理中占比小于化学沉淀。与生物炭发生静电吸附的重金属离子受到环境pH值的影响。当介质pH大于生物炭的零电荷点时，生物炭表面携带负电荷，可与带正电荷的重金属发生静电吸附作用; 当介质pH小于生物炭的零电荷点时，生物炭则与带负电荷的重金属发生静电吸附作用，具体反应机制为生物炭表面的羧基、羟基等官能团与H 发生质子化作用，形成带正电的官能团–OH2 、–COOH2 ，它们再通过静电作用与带负电荷的重金属结合。氧化还原作用
生物炭还可通过影响土壤氧化还原电位来改变重金属的溶解度和价态，使其发生沉淀或降低其生物毒性。例如，在Cr污染土壤中添加生物炭可将Cr(Ⅵ) 还原为Cr(Ⅲ)降低Cr的生物毒性。
正是由于生物炭具有以上“吸金大法”，因此成为一种在重金属治理方面具有巨大潜力的新型有机吸附材料。而且，生物炭的广泛应用还有望解决我国工农业废弃物资源化再利用问题。
作者：李雄 中国科学院昆明植物研究所
本文来自：中国数字科技馆
