随着城市化和工业化的快速发展,土壤重金属污染的不断加剧已经成为不容忽视的环境问题。生物炭(Biochar)是生物质在限氧条件下热解制备的富碳颗粒。生物炭由于其具有丰富的表面官能团和发达的孔隙结构等特征使其对重金属具有较强的吸附固定化性能,生物炭作为固定化材料修复重金属污染土壤已成为环境和土壤领域的研究热点之一。论文简要介绍了土壤重金属污染及其修复技术研究进展,重点评述了生物炭吸附重金属的特性及机制和生物炭在重金属污染土壤固定化修复中的应用研究进展。针对生物炭施加到黄土后对重金属的吸附固定性能与生物炭结构之间的构效关系尚不明确,生物炭施加对黄土中重金属镉(Cd)的植物有效性与植物吸收Cd含量的相关关系不清等问题,本文选择玉米秸秆生物质为代表制备生物炭,通过SEM-EDS、FTIR、XRD、XPS、比表面积测定和元素分析等手段表征了生物炭的表面性质和结构特征;研究了生物炭对Cd的吸附特性和机制,探讨了生物炭对共存重金属的竞争吸附机制;进一步采用表面改性方法制备了氨基修饰玉米秸秆生物炭,探明了氨基修饰生物炭对Cd的吸附机制;在此基础上,揭示了生物炭施入黄土后对Cd的吸附固定性能与生物炭结构之间的构效关系;最后探究了生物炭施入Cd污染黄土后对Cd赋存形态分布和Cd植物有效性的影响机制。研究结果为区域土壤重金属污染控制提供科学依据。论文的主要结果及创新性如下:(1)揭示了玉米秸秆生物炭与Cd的相互作用机制,发现生物炭表面的含氧官能团对Cd的络合作用是其吸附Cd的主要机制。生物炭吸附Cd前后的XRD图谱未发现新的衍射峰,表明生物炭吸附Cd后没有沉淀物质产生,即表面沉淀作用不是生物炭吸附Cd的主要机制。同时,生物炭吸附Cd前后的FTIR谱图上的羟基(—OH)和羰基(C=O)特征峰波数发生偏移、峰强降低,表明—OH和C=O对Cd产生了表面络合作用。研究生物炭吸附Cd前后的XPS特征,结果发现,生物炭吸附Cd的过程中其表面含氧官能团对应的结合能分别向高能量偏移0.2 eV,表明生物炭表面含氧官能团与Cd形成Cd—R键(R表示为—COO、—CO等)。此外,溶液平衡pH值在生物炭吸附Cd后由5.4降低至5.1,进一步证实了生物炭表面官能团与Cd形成配合物。Cd、Cu和Zn在生物炭上的竞争吸附行为表明,生物炭对Cd、Cu和Zn的吸附性能与重金属自身的物理化学性质有关。氨基修饰生物炭对Cd的吸附机制主要为生物炭表面的氨基官能团和含氧官能团与Cd的络合作用,且生物炭氨基官能团对Cd的结合能力强于含氧官能团对Cd的结合能力。(2)率先研究了生物炭对黄土中Cd吸附固定作用的构效关系。发现生物炭自身的理化性质对施加生物炭黄土吸附Cd有显著影响,生物炭的极性是影响施加生物炭黄土吸附Cd最关键的因素。添加不同比例生物炭的黄土对Cd的吸附结果表明,添加生物炭黄土对Cd的吸附性能高于黄土对Cd的吸附性能,且随着生物炭添加比例的增大,生物炭添加黄土对Cd的吸附性能显著增强。添加不同原料制备生物炭的黄土对Cd的吸附性能也存在较大差异,向黄土中添加秸秆生物炭对Cd的吸附性能优于粪质生物炭和玉米芯生物炭。同时研究发现,不同温度制备的生物炭的理化性质有较大差异,而生物炭的极性指标(O+N)/C和添加生物炭黄土吸附Cd的模型参数KF呈现良好的正相关关系,而生物炭比表面积与添加生物炭黄土吸附Cd的性能之间没有显著的相关关系。(3)研究了玉米秸秆生物炭施入Cd污染黄土后对黄土中Cd的赋存形态的影响以及黄土中Cd赋存形态和玉米体内Cd含量的关系。发现向Cd污染黄土施加生物炭可显著降低黄土中有效态Cd的含量,其作用机制包括生物炭的石灰效应改变黄土中Cd的赋存形态、生物炭吸附固定作用降低Cd的有效浓度。生物炭对Cd污染黄土性质及Cd赋存形态分布的影响研究结果表明,生物炭施加可显著升高土壤pH值、土壤阳离子交换量(CEC)和土壤有机质(SOM)含量,同时可提高黄土中脲酶和碱性磷酸酶的活性。向Cd污染黄土施加生物炭促使Cd由不稳定的有效态转化为稳定的残渣态。同时,玉米根部与地上部Cd含量与黄土中有效态Cd含量呈极显著正相关(P<0.01),与残渣态Cd含量呈极显著负相关(P<0.01),生物炭施入Cd污染黄土显著降低了玉米根部和地上部的Cd含量(P<0.05)。