炭材料在土壤改良和污染治理中的应用

（一）碳纳米管

目前，国内外在应用于污染土壤修复的环境功能材料的研制及其应用技术还刚刚起步。因而仅从碳纳米管对土壤环境污染物（重金属离子）的吸附行为和相关机理以及碳纳米管在土壤环境中的迁移行为方面进行了综述，阐述了这些研究对于评估碳纳米管的环境应用潜力、环境和生态风险所具有的意义。

1.吸附机理

碳纳米管吸附土壤中金属离子的机理一般归结为静电引力、吸附沉积和化学键合作用三方面。一般而言，重金属离子和碳纳米管表面官能团的化学键合作用是主要的吸附机理。碳纳米管表面的羧基和酚羟基与土壤中的金属离子发生离子交换。随着吸附的进行，碳纳米管表面释放H+，导致土壤环境临近范围内的pH值降低。这又可能进一步使土壤里游离态金属离子的浓度变大，促进了吸附的进行并逐步达到平衡。

2.影响因子

（1）碳纳米管的性质。吸附剂的性质对于土壤中金属离子的吸附起着重要作用。如碳纳米管对Cd2+、Cu2+、Ni2+、Pb2+和Zn2+等离子的吸附能力与碳纳米管表面酸性基团密切相关，而与比表面积、孔容和平均孔径没有直接的相关性。金属离子在碳纳米管上的吸附量随着表面的总酸性基团，如羧基、内酯基和羟基数量的增加而增加，说明碳纳米管对金属离子的吸附是化学吸附而非物理吸附占支配地位的界面过程。

（2）土壤的物理化学性质，如温度、pH值、离子强度和表面活性剂等能够影响碳纳米管对金属离子的吸附能力。

3.碳纳米管在土壤中的迁移

碳纳米管在土壤中的迁移主要与土壤的性质密切相关。方靖通过饱和均匀土柱的柱淋溶实验发现，多壁碳纳米管在土壤中具有很好的移动性，其移动能力与土壤颗粒平均粒径（P＜0.05）和土壤沙粒含量（P＜0.1）呈显著正相关、与土壤黏粒含量（P＜0.05）呈显著负相关关系。运用一级动力学对流一弥散模型预测多壁纳米碳管在各个土柱中的最远迁移距离为26.8～383.l cm，说明多壁纳米碳管有向深层土壤迁移的可能性。因此，碳纳米管在环境中的迁移能力取决于碳纳米管自身性质和所处环境介质的物理化学性质。综合考虑碳纳米管的特定理化性质和所处环境条件是准确评价环境中碳纳米管的迁移行为，以及与之密切相联系的环境生态风险的必要条件。碳纳米管对污染物的吸附也取决于碳纳米管自身性质、吸附质的性质和溶液的物理化学性质等因素。碳纳米管对污染物较强的吸附能力，以及碳纳米管自身在土壤环境中的稳定性，进一步增加了碳纳米管对有机污染物的吸附及其在环境介质中的移动性。探讨碳纳米材料的环境行为及其与典型污染物间的相互作用，可为评价碳纳米材料和被碳纳米材料吸附的污染物的环境风险提供理论基础，也是在碳纳米管作为修复材料进行深层修复之前所必须要解决的问题，这些相关的研究应该作为今后研究的重点。

（二）生物炭(www.xing528.com)

生物炭施到土壤，能增加土壤有机物质，提高土壤肥力，使作物增产，同时生物炭还可降低土壤重金属和农药的污染，在土壤污染治理中主要为重金属的降解。目前，国内外学者重点研究利用生物炭修复包括As、Pb、Cd、Zn、Cr等重金属污染的土壤，但生物炭修复不同的重金属效果差异显著，如生物炭固化土壤中Cd和Zn效果好，但对As几乎没有效果。生物炭对重金属污染土壤修复的研究大部分处于在柱浸实验阶段，即用生物炭通过柱浸实验处理重金属污染场地的土壤，通过测定生物炭处理后土壤孔隙水中污染物含量的变化，评价生物炭对污染土壤的修复效果。

1.去除重金属

（1）去除镍

研究表明，生物炭修复土壤中生长的黑麦草植物中重金属Cr、Ni、Cd含量明显较低，As污染土壤经生物碳处理后种植西红柿，其根与幼苗中的As的砷含量显著降低，西红柿中的As含量低于3 μg/kg，As毒性及转移风险均达最小，说明生物炭可以减少农作物对重金属的吸收，提高农作物的品质。[6]

（2）去除砷

相比其他重金属，As更稳定（残渣态大于60％），但As依然可以被生物炭表面固定。用修剪果园的果树枝条制成的生物炭对As污染土壤进行修复并种植番茄。研究结果表明，生物炭显著提高了土壤孔隙水中As的浓度（500～2 000μg/L），相对未施生物炭的对照番茄根和茎中的As的浓度显著下降，果实中的As的浓度很低（3 μg/kg）。

2.去除有机污染物

研究表明，生物炭的应用降低了浸出液的五氯苯酚质量浓度（从4.53 mg降低至0.17 mg）并明显增加了发芽率和根系长度，因此生物炭可作为一种潜在的有机污染物的原位吸附剂。[7]同时，生物炭能够加强土壤对多环芳烃的吸附，且应用了低温（100℃）生产的生物炭土壤的吸附量与生物炭的应用量呈线性关系，其他温度的生物炭也是呈正相关关系。

总之，生物炭在改善土壤肥力并提高作物产量，以及降低农村的重金属和有机污染方面有巨大的潜力。它和与其性质相似的活性炭相比，成本较低，易被大众接受；与其他增产增肥措施相比，具有效果好、持续时间长的优点。因此，生物炭将在未来的土壤增产以及污染物的处理中发挥巨大的作用。但是很多室内及田间模拟实验表明，在短期内生物炭对土壤具有一定的改良作用，但生物炭对土壤的长期效应还需进一步的研究与开发。