——专访国际水环境联盟(WEF)McKee奖获得者中国地质大学(北京)教授、博士生导师 陈家玮

陈家玮教授与学生们分享研究收获。中国地质大学(北京)/供图

陈家玮教授在国际学术会议上作学术报告。中国地质大学(北京)/供图

刘丽  吕沁兰

中国经济导报记者 | 刘宝

10月5日~9日,在美国召开的世界水处理技术展览会上,中国科学家,中国地质大学(北京)教授、博士生导师陈家玮带领的团队研究成果获得国际水环境联盟和美国环境保护署共同颁发的McKee奖,以表彰他们在地下水资源/水环境保护和可持续利用方面所做的杰出工作。

国际水环境联盟(WEF)成立于1928年,旨在保护和提高全球的水环境,推动国际水质/水环境研究发展和先进技术的开发与推广和应用,是国际水环境科学与技术领域最具权威的学术组织,拥有全世界从事水环境及其相关领域科学家的75个会员组织和超过3.6万个会员。据了解,陈家玮团队获奖的项目研发了骨炭和磁性生物炭用于去除地下水中的氟和铬,系统表征了生物炭吸附能力,并揭示了高效除氟机理,在水污染修复方面极具应用潜力。日前,中国经济导报记者就此专访了陈家玮教授。

中国经济导报:请您介绍一下此次获奖项目的情况。

陈家玮:这次获得McKee奖是国际同行对我们中国科研工作的一个认可,消息传来对我们团队是很大的鼓舞。获奖成果是2019年发表在《水环境研究》(Water Environment Research)期刊上的一篇学术论文,研究的初衷是为了解决农林废弃物制备的普通生物炭对于水中氟离子吸附能力较弱的问题。我们在经济型生物炭开发的基础上,经过大量对比研究,探索制备出骨炭和磁性生物炭,对于氟离子有很好的吸附效果,并能够同时去除水中氟离子与六价铬,还具有廉价、高效和可持续利用等特点,对于修复污染地下水具有应用发展潜力。

目前常用的经济型吸附剂主要有活性炭、生物炭、天然矿物等,由于吸附法操作简易、经济环保等特点,被广泛应用于水污染治理,特别是吸附剂在使用后能通过一定方法再生循环使用,因此在实际应用中受到青睐。根据世界卫生组织报告,全球有超过2亿人饮用氟超标的水。当人体摄入氟化物时,它会被身体组织吸收,并且会长期沉积在牙齿和骨骼中,过量氟化物会导致患上多种疾病,例如氟斑牙、氟骨病等。此外,工业生产中大量含有重金属的废水也会进入到地下水环境中,导致重金属浓度超标。比如铬,在金属电镀、皮革鞣制和颜料生产等方面广泛使用,是地下水中常见的污染物。

地下水中的氟和铬等污染物能否方便有效去除,是我们团队近年关注的课题。我们在几年前就尝试着将废弃的花生壳制备成生物炭,从烧制温度、反应时间、粒径筛选等方面着手,在前人制备磁性生物炭工艺的基础上进行改进,采用更短的时间、更低的能耗得到了有经济、环保、高效吸附能力且易于磁性回收的生物炭,将其用于修复水中的铬污染,取得了理想的效果。与原始花生壳生物炭相比,改性后的磁性花生壳生物炭对六价铬的吸附能力提高了1~2个数量级,相关成果2016年发表在国际期刊Chemosphere上,受到国内外学者广泛关注,成为当时的热点论文,至今仍是ESI高被引论文。

随后,我们将其扩展应用于对氟的去除,但是试验结果不甚理想。后来,我们通过大量调研和实验,发现骨头制成炭后,里面会含有羟基磷灰石,对氟的吸附可能会有较好增效作用。我们从餐厨废弃物中收集了大量牛骨头,将其制备成骨炭和磁性骨炭,成功去除了地下水中的氟和铬,在水污染修复方面极具应用潜力。我们采用“一步法”和“两步法”都能获得铁基磁性生物炭,将生物质原料经铁盐溶液浸泡后再热解制备成磁性炭,或者将成品生物炭与铁盐溶液混合,经过碱液处理获得磁性炭,有效解决了以往吸附剂效能低且难以回收、并且容易受共存污染物影响等问题,为生物质废料的综合利用以及地下水中复合污染的修复拓宽了应用途径。

中国经济导报:关于生物炭的作用以及应用前景有哪些?

陈家玮:我国是农业大国,种植农作物后产生大量的农业废弃物。以秸秆为例,每年理论资源量10亿吨以上,可收集资源量近9亿吨,作为饲料、肥料、基料、燃料等方面的秸秆利用量为7亿吨左右,综合利用率仅为80%,其余的废弃秸秆只能焚烧或遗弃。近年来,国内外学者提出将农林废弃物制备成生物炭开展综合利用,为秸秆问题提供了新的思路和途径。

人们对生物炭的兴趣最初源于对亚马逊黑土(Terra Preta)的认识。科学家在上世纪八九十年代,对巴西亚马逊盆地中部的黑土进行研究,发现它多产、肥沃,与其它贫瘠土壤形成鲜明对比。其肥沃得益于千百年来印第安土著居民原始的生活方式。他们将动物粪便、骨头和植物等废弃物转化为一种特殊的具有极强的恢复贫瘠土壤肥力的能力肥料——生物炭。

有科学家表示,生物炭使我们能够一次性解决三个重大危机:气候变化危机、能源危机以及食品和水资源危机。因此,生物炭的研究与应用也是近年来国内外最为热门的话题之一。我国每年产生大量秸秆等废弃物,如果直接就地掩埋或焚烧,不仅造成资源浪费,还会造成严重的环境污染。将这些废弃物制备成生物炭进行综合利用,变废为宝,则有望一举多得。

首先,从改良土壤性质角度来说,生物炭作为一种土壤肥料,在改善土壤结构、提高土壤肥力和保水性、增加作物产量方面有重要作用。目前全球人口已经超过70亿,为了支撑庞大的人口,农业的可持续发展是最关键问题。我国作为人口和农业大国,由于城市化进程加剧,农田耕地面积持续减少,长期高密度耕作使得土壤肥力下降,因此生物炭的应用潜力更是巨大的。当生物炭施加到土壤中,可以改变土壤的物理化学性质。生物炭一般呈碱性,ph值为7~10,对于改良以我国南方为代表的酸性土壤以及促进喜碱作物生长,效果甚佳;调节ph值的同时还能够提高盐基饱和度,释放钙离子、钾离子、镁离子等进入土壤,并交换土壤中的氢离子、铝离子等。生物炭的多孔和低密度特性,使其在施用后能改善土壤通气状况,提高土壤保水量,对我国北方干旱地区的砂质土壤意义尤为重大。

生物炭还可通过影响土壤阳离子交换容量和氮磷养分的固持,极大地提高土壤肥力。生物炭表面丰富的芳环结构和含氧、氮、硫等官能团显著增加了离子交换位点,使其表面交换活性较高。在施加到土壤后,土壤的阳离子交换容量显著提高,这对土壤肥力和生产性能以及土壤有机质水平的提高影响极大。

生物炭还具有改善营养元素循环、促进作物生长的功效。生物炭通过提高土壤自身的持水及供水能力,降低水溶性的营养离子溶解迁移,避免了营养元素的淋失,并且在土壤中持续而缓慢地加以释放。生物炭不仅能够提高营养元素的固持,还能提高养分的有效性(即可直接被植物体所吸收的营养)。有研究表明,营养物质生物有效性低的土壤中施加生物炭后,磷、钙镁等元素可利用性提高,促进了植物的吸收效率,而土壤中部分元素(如铝)的生物毒性却大大降低。生物炭作为营养元素的缓释载体,有效地调控土壤中营养元素的循环,和其他无机或有机肥料配合施用后,作物增产效果更佳,提高了植物的生物量,已经证实其对小麦、大豆、萝卜等作物的生长起到促进作用。

此外,生物炭对土壤中微生物群落也有着重要影响,能够促进作物健康生长,提高产量。生物炭的多孔性和表面特性还可以为许多的土壤微生物提供附着位点和更大的空间,调控土壤微环境的理化性质,从而影响土壤微生物的生长、发育和代谢,改善土壤肥力。生物炭还会降低土壤的厌氧程度,抑制反硝化作用,从而明显改变微生物群落组织和土壤酶活性,并增强植物对病害的抗性。

其次,从政府行为和社会效益来看,减缓温室效应已成为亟待解决的全球环境问题。有科学家预测,二氧化碳的浓度极有可能从工业革命前的280ppm增加到本世纪中叶的560ppm,全球平均温度上升1.5℃~4℃,若不加以控制,将会造成大量物种灭绝、生态破坏。将大量农林废弃物转化成生物炭,可以使得原本容易分解释放出甲烷、一氧化碳、二氧化碳这类“活泼碳”转化成“惰性碳”,生物炭作为碳隔离的方式,无疑是最安全有效的一种碳封存方式,能够减少温室气体的排放。

如果直接填埋动植物残体,土壤中的微生物可将其分解腐烂,虽然增加了土壤里的碳元素含量,但是这种炭并不能长期存在,易受到气候和人类行为的影响,而且微生物呼吸作用释放大量二氧化碳,因此并不能形成稳定碳汇。而生物炭高度碳化及烷基和芳香环结构的紧密堆积使其具有极高的化学稳定性、热稳定性和微生物稳定性。施加于土壤中,可长期不受外界条件干扰而发生再次分解。另一方面,生物炭表面的有机结构可以与土壤中多种矿物形成无机-有机复合体,即土壤团聚体。生物炭封闭在其中,降低土壤微生物对其分解的风险,从而保持稳定。从长期来看,生物炭的存在至少能够留存40%的有机碳,碳素一旦转化成生物炭,即便风化、沉降、掩埋等过程,仍能在沉积物和土壤中大量存在,继续发挥碳汇的作用,可以说是一个十分稳定的土壤碳库。

因此将废弃的生物质如农作物秸秆、畜禽粪便、废木屑、餐厨废弃物等在缺氧条件下热裂解制成生物炭,避免了生物质毫无意义地燃烧释放二氧化碳,这是一个很好的大气中碳的增汇减排模式,也是应对全球气候变化的有效措施,可缓解工业上碳的增汇减排压力。

第三,从环境污染修复应用角度来看,随着现代社会的发展,工业化加剧了环境污染问题。污染物质如镉、铅、铬及抗生素等,不易被微生物降解,可通过食物链在动物、人体内积累,危害人类健康和生态环境。

对于土壤、自然水体的污染治理,最好采取原位修复的方法,这对修复材料的环境友好性和生物毒性的要求较高,即在去除污染物的同时不能给环境造成其它伤害,而生物炭无疑是理想的吸附剂。由于生物炭从原料到制备都是自然的,以碳为主要成分,是一种绿色吸附剂,生物炭与活性炭的物理化学特性相近,有较大的表面能、丰富的孔隙结构和官能团,对水体中的有机污染物和重金属污染物都有一定的去除能力。此外,与活性炭相比,生物炭无论是生产还是成本,都优于前者,部分条件下制备的生物炭甚至吸附性能高于活性炭。

生物炭与重金属结合,会影响重金属离子的形态和迁移,从而钝化土壤中的重金属。有研究表明,生物炭可以降低土壤中重金属镉的生物有效性。在镉污染灌溉区的土壤中施加生物炭,能够提高水稻的光合作用速率,促进水稻生长,增加产量。生物炭对有机污染物有着相当强的吸附作用与解吸滞后作用,并可以影响有机污染物的迁移转化,降低其生物有效性。已有报道证明,施用较少量小麦和水稻秸秆生物炭,使有机污染物的吸附量是正常土壤的若干倍。

中国经济导报:您的团队在水土污染治理方面,近年都做了哪些研究工作,对产业发展具有哪些启发和应用价值?

陈家玮:从研究挑战来说,对于水污染,存在很多污染物共存的情况,所以开发普适性强的吸附材料,提高对共存多种污染物的吸附量,或者开发出选择性强的吸附材料,有针对性地去除目标污染物中的某一种进行“靶向治疗”,还有很多工作需要去做。从土壤介质来说,我们要想办法把这里面的污染物限制“锁定”住,阻止污染物向地下水迁移,在土壤中施加有效生物炭,应该能达到这个目的。

围绕这些方面,我们目前取得了一些进展,主要包括以下几个方面:

一是重视生物炭在长期环境老化作用后的功效评估。生物炭一旦进入土壤后很难回收,大量滞留在水土环境中的生物炭容易吸附并影响环境污染物的迁移行为。在长期自然环境条件下,受到物理、化学、微生物等老化作用影响,生物炭自身性质会发生改变,会影响生物炭对污染物的吸附性能。所以老化作用会影响生物炭携带污染物的稳定性,从而进一步影响污染物的迁移转化。

近年来,我们重点研究各种老化过程对生物炭的理化性质影响,揭示老化作用机制并综合评价生物炭的长期环境效应,有助于评估生物炭的长期应用效果。经过大量模拟实验,我们认识到,淋滤老化过程会引起生物炭的可溶性物质大量流失,酸雨和氧化老化过程则会促进生物炭表面含氧官能团的形成和积累;老化作用会降低高温生物炭的吸附性能;酸化和氧化老化均会促进低温生物炭的吸附能力。

对于有机污染物如莠去津和邻苯二甲酸酯等,老化后的生物炭吸附能力会减弱。这就意味着如果环境条件作用引起的生物炭老化作用加剧,就存在很大的潜在风险,长期应用会使得已锁定吸附的污染物不再稳定而再次释放。因此,我们不能仅仅依靠生物炭的性能来做应用的判据,更需要认识到自然环境条件对生物炭应用的影响,从而能更加全面地选择生物炭,因地制宜进行可持续有效利用。这些新认识对于丰富老化作用机制具有重要科学理论意义,对于正在开展的生物炭技术的应用,对于重新评估其长期效益,探索开发更多的适宜性生物炭,具有重要的应用指导意义。

二是开发经济型生物炭实现污染修复快速高效。现在已有研究中涉及到各种各样的生物质材料,如秸秆、木料、残渣、果壳种皮、污泥等。

残渣类的生物质如甘蔗、甜菜等加工后的尾渣及果壳种皮等,是较为高效的生物炭原料,这类作物中本身富含大量营养物质,官能团极其丰富,对于污染物的修复具有较好的效果。不足在于这种经济作物产量相对较少,成本较高,而且本身具有较高价值,可用于造纸、医药等方面。木材类的以木质素为主要成分,其生物炭也具有较好活性,但营养物质远低于前者,且其热值高,作为燃料更为理想。污泥中有丰富的元素组成,高温处理后可形成大量矿物质,对于吸附能力较强,且其本身也是一种污染物,制备成生物炭治理环境可谓一举两得,然而由于其本身含有一定的重金属、有机物污染成分,不适用于土壤中,在环境修复方面也需谨慎使用。秸秆类生物质是来源最为广泛、价格最为低廉的原料,在土壤改良、作物增产等方面前景广泛,现已在部分地区投入使用,为理想的生物质材料,其在污染物修复上比其他材料效果略低,若能对其进行改性,大大提高生物炭的活性,对于实际生产应用具有重要意义。

近年来,我们重点研究了需要高效快速处理的污染修复,着眼于开发经济型改性生物炭,实现高效吸附、快速修复、可持续回收利用的目标。我们提出的磁性生物炭制备技术,获得的磁性炭具有便捷磁性回收、吸附量大、操作简便等特点,并能大规模开发用于水污染修复。再就是,关于活性碳滤芯的研发和市场竞争也不容忽视,借助农林废弃物开发新一代生物炭滤芯大有作为,有望在净水领域实现低价高效。

三是研发生物炭纳米铁复合体系,高效降解水中有机污染物。不同于水中重金属污染可以采取经济型吸附技术进行修复,对于有机污染物,更重要的是有效降解。深部地下水有机污染修复一直是科研领域的前沿和热点。20多年前,科学家们提出将纳米零价铁制备成浆液,注射进入深部污染源区实现原位修复。但是纳米零价铁易氧化、迁移性差,使用寿命短、容易失活。为此,我们以环境友好型生物炭作为负载材料,简易方法获得生物炭负载纳米铁,延长零价铁寿命并增强其迁移性,实现地下水中三氯乙烯等有机物降解去除。

与此同时,我们十分重视高级氧化技术,这是因为传统的氧化芬顿体系在处理酸性废水效果良好,但是对于偏碱性的地下水方面有局限性。为此,我们通过对比研究多种生物炭基材料,筛选出了适宜性材料如玉米芯生物炭负载纳米铁或铁铜双金属等材料,能够极大促进活化过硫酸盐产生活性氧物种,实现了高效降解有机污染物目的。这些理论探索和实验研究,为发展此类高级氧化技术并推广应用奠定了重要基础。

中国经济导报:接下来您的团队还要准备做哪些工作?

陈家玮:我们会在以往工作基础上,根据目标污染物的类型,筛选出具有应用潜力的几种不同类型的生物炭基材料,将其通过快速吸附、高级氧化等方式,开展水土污染修复应用。同时,从成本经济性角度进行产品和技术研发,特别是针对典型地下水、地表水、饮用水等研究对象开展应用。

目前,将基础研究与成果应用有效结合起来,是我们团队开展生物炭技术和纳米铁技术今后面临的思考和实践探索,相关产品和技术也期望能与市场紧密结合,与企事业单位拓展合作,期待成果能取得较好的社会效益和经济效益。

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