关于植物修复残渣衍生生物炭中热解温度依赖性铅（Pb）稳定性的机理洞察

《Frontiers in Chemistry》：Mechanistic insights into pyrolysis temperature-dependent lead (Pb) stabilization in phytoremediation residue-derived biochar

铅污染植物残渣高温裂解稳定机制及环境风险评估

　　本研究探讨了铅（Pb）富集生物量（BM_Pb）通过热解转化为铅富集生物炭（BC_Pb）的过程，评估了其在安全处理和管理植物修复残余物方面的潜力。研究发现，热解温度对BM_Pb的体积缩减以及Pb的富集和固定具有显著影响。随着热解温度的升高，BM_Pb的体积显著减少，而产生的BC_Pb则表现出更高的Pb富集能力，并且Pb在其中被有效固定，减少了其生物可利用性和对生态环境的潜在危害。这一过程的可行性在于热解过程中Pb与生物炭表面的无机矿物成分（如磷酸盐、碳酸盐等）发生反应，形成稳定的矿物相，从而降低其迁移性。

研究中，通过元素分析和X射线衍射（XRD）技术，揭示了不同热解温度下Pb的固定机制。在400°C时，Pb₂(P₄O₁₂)和PbCO₃的沉淀主导了Pb的固定；而在500°C及以上温度时，Pb₃(CO₃)₂(OH)₂、Pb₂(P₄O₁₂)以及NaAlSiO₄成为主要的Pb固定形式。这种转变表明，随着热解温度的升高，Pb在生物炭中的稳定性显著增强，而其生物可利用性（以交换性、可还原性等形式存在）则大幅下降。通过BCR（单步萃取）方法对Pb的化学形态进行分析，发现随着热解温度的升高，更易迁移的F1和F2组分的比例逐渐减少，而稳定性更强的F3和F4组分的比例相应增加，特别是在700°C时，F1+F2组分的减少比例达到17%，而F3+F4组分的比例则上升至83%。这一趋势表明，高温热解显著降低了Pb的生物可利用性及其对生态环境的潜在风险。

在模拟浸出实验中，研究了BC_Pb在不同环境条件下的Pb释放情况。结果显示，BC_Pb在pH值高于2的情况下，Pb的释放量始终低于相关法规标准（<9.98 mg·g^-1 vs. 10.0 mg·g^-1），并且Pb的释放量与热解温度呈反向关系。在pH值为2的强酸性条件下，BC_Pb表现出较高的Pb释放风险，这可能与Pb⁰（零价铅）在酸性条件下的高溶解性有关。然而，在pH值为6-10的中性和碱性条件下，BC_Pb表现出较低的Pb释放量，这与其表面形成的稳定矿物相有关，这些矿物相在碱性条件下能够有效抑制Pb的迁移。此外，在过氧化氢（H₂O₂）条件下进行的实验也表明，随着热解温度的升高，Pb的释放量显著下降，尤其是700°C热解的BC_Pb，其Pb释放量仅为BM_Pb的1/10。这表明，高温热解能够显著增强生物炭对Pb的固定能力，从而降低其在氧化环境中的释放风险。

土壤模拟实验进一步验证了BC_Pb在自然环境中对Pb的稳定作用。研究将BM_Pb和BC_Pb添加到自然土壤中，并在45天内观察其Pb的分布变化。结果显示，BM_Pb中的Pb在土壤中的迁移性较高，而经过热解处理的BC_Pb则显著降低了Pb的生物可利用性。在土壤中，Pb的生物可利用性（F1+F2）随着时间推移而减少，而稳定性更强的F3+F4组分的比例逐渐增加。这种转变表明，热解处理能够促进Pb从生物可利用状态向稳定状态的转化，从而减少其对环境的潜在危害。此外，土壤中的有机质和碱性条件也有助于Pb与有机化合物形成不溶性复合物，进一步降低其迁移性。

为了评估Pb在BC_Pb中的生态风险，研究采用了潜在生态风险指数（RI）、风险评估代码（RAC）以及地质累积指数（I_geo）等指标。结果表明，BM_Pb的RI和RAC值较高，而经过热解处理的BC_Pb的这些值则显著下降，表明Pb的生态风险被有效降低。然而，I_geo值的升高表明，虽然热解处理减少了Pb的生物可利用性，但其在生物炭中的总浓度仍然较高，存在地质累积的风险。因此，尽管热解能够显著降低Pb的生物可利用性，但其长期的地质累积风险仍需引起重视。这提示，在应用热解处理技术时，必须综合考虑其生态风险，并采取相应的措施确保其安全处置。

综上所述，本研究发现，通过热解处理铅富集生物量，特别是在500°C以上的温度条件下，能够有效减少其体积，并显著提升Pb的固定能力。高温热解不仅能够促进Pb与生物炭中的无机矿物成分形成稳定的矿物相，还能够通过改变生物炭的表面性质，如提高pH值和减少表面官能团，从而降低Pb的生物可利用性和生态风险。然而，该研究也指出，热解处理后的生物炭在极端酸性条件下仍可能存在较高的Pb释放风险，因此在实际应用中，需特别注意环境条件的控制，尤其是在酸性土壤或酸雨环境中。此外，尽管热解处理能够显著降低Pb的短期迁移风险，但其长期的地质累积风险仍需进一步研究，以确保其在实际应用中的可持续性和安全性。因此，热解技术在处理铅富集植物修复残余物方面具有广阔的应用前景，但仍需在实际工程应用中进行充分的评估和管理，以实现环境的长期保护。