生物碳质对有机污染物的吸附作用及机理调控

生物碳质指生物质在缺氧条件下燃烧或热解产生的含碳物质,其中含有炭化组分（黑碳）和非炭化组分（天然有机质）,其来源广泛（如秸秆焚烧和森林大火）,大量积累于土壤等环境,对土壤中有机污染物的迁移转化及生物有效性产生重要影响。有关生物碳质（如碳黑）的结构特征、吸附性能及机制之间的关系成为当前环境化学的研究热点之一。本文在评述环境黑碳的结构特征、吸附性能及机理等研究进展的基础上,以松针和水稻秸秆作为森林和农业生物质代表,在100-700℃下热解制备生物碳质（对松针标记为P100-P700,秸秆则为RC100-CR700）,用热重分析、元素分析、比表面积、傅立叶红外光谱、电镜扫描等表征其结构特征;用批量平衡法,研究了生物碳质吸附水中极性和非极性有机污染物的性能及影响因素;重点探讨了生物碳质的结构特征与吸附机理之间的定量关系及调控机制,为准确预测环境有机污染物的吸附行为提供理论依据,同时为模拟环境碳黑设计高性能的环境吸附材料提供技术支撑。主要取得了以下创新性成果: （1）生物碳质对水中有机污染物吸附能力强、吸附容量大。炭化温度调控其表面与结构特征,进而决定其吸附性能和作用机制。生物碳质的芳香性随炭化温度的升高而急剧增加;而其极性则急剧降低,相应地从“软碳质”逐渐过渡到“硬碳质”,同时比表面积迅速增大。吸附性能参数N与H/C比值呈良好的线性正相关（R2=0.997～0.998）;logK_f与H/C比值呈良好的线性负相关（R2=0.955～0.992）。 （2）生物碳质对有机污染物的吸附机理随着炭化温度的升高而发生规律性演变,即从分配作用为主（如P100、RC100）逐渐过渡到以表面吸附作用为主（如P700、RC700）;定量描述了分配作用和表面吸附作用对生物碳质总吸附的相对贡献。 （3）揭示了分配作用和表面吸附作用强弱与吸附剂的结构特征之间的关系及影响因素。随炭化温度升高,生物碳质的分配相从“脂肪性”过渡到“芳香性”,分配作用（Kp）取决于分配介质与有机污染物之间的极性的“匹配性”和“有效性”;表面吸附作用包括表面覆盖作用和表面特殊作用,其大小取决于有机分子性质（极性和尺寸）与表面吸附介质的特征（表面极性和孔径）之间的匹配性。