生物炭对冲积土中氯酚迁移行为的调控机制与阻控效应研究

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Evaluating the Role of Biochar in the Transport Behavior of Chlorinated Phenols in Alluvial Soil Systems

　　本研究针对氯酚类污染物在冲积土系统中的迁移风险，通过柱实验和ADE模型揭示了生物炭修饰土壤可通过增强π-π电子供体-受体相互作用和极性作用，将4-CP的阻滞因子提升至155，突破时间延长12-40倍，为河岸过滤系统优化提供理论依据。

　　

随着人口增长和工业扩张，清洁饮用水的需求日益迫切，但先进水处理技术的高成本限制了其在发展中国家的应用。河岸过滤系统作为一种经济高效的替代方案，利用土壤和含水层材料作为天然过滤器，通过地球吸附过程有效改善地表水质量。然而，氯酚类有机污染物因其毒性、持久性和生物降解抗性，在河流和地下水系统中被频繁检出，对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。

在这项发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》的研究中，研究人员系统评估了生物炭改良对氯酚在冲积土中迁移行为的影响机制。研究团队选取多瑙河冲积土为研究对象，通过系统表征土壤层理特性和商业生物炭的理化性质，结合柱实验和溶质运移模型，深入解析了四种氯酚化合物的迁移规律。

关键技术方法包括：采用ISO标准方法进行冲积土分层采样与表征；通过氮气吸附-脱附分析测定比表面积和孔结构；利用傅里叶变换红外光谱鉴定表面官能团；开展保守性示踪剂和氯酚的柱实验；应用对流-弥散方程计算阻滞因子(R_d)；采用主成分分析揭示土壤-污染物性质间的相互作用机制。

详细土壤层理与生物炭表征结果

对0-230cm深度冲积土的粒度分析显示，所有土层均以中砂为主，黏土含量仅0.85-2.4%，比表面积0.76-2.14m²/g，有机质含量低于1%。生物炭具有高比表面积和丰富的芳香结构，其H/C和O/C摩尔比分别为0.12和0.038，零电荷点pH_pzc为10.8，在实验pH条件下表面带正电荷。

氯酚在冲积土中的迁移特性

未改良土壤中，4-CP、2,4-DCP和2,4,6-TCP的阻滞因子接近1，表现为快速迁移；而PCP因具有较低的pK_a值，在实验pH下发生电离，通过静电作用实现较高阻滞。相关性分析表明，分子量、疏水性和电子受体特性与阻滞因子呈正相关，证实疏水作用和电子供体-受体相互作用是主要滞留机制。

生物炭改良土壤的阻控效应

添加0.5%生物炭后，氯酚突破时间延长12-40倍，阻滞因子显著提升至42-155。4-CP因单氯取代保持较高电子密度，与生物炭的π-π电子供体-受体相互作用最强，阻滞效果最显著。主成分分析显示，生物炭的引入使滞留机制从疏水作用主导转向极性相互作用主导。

机制解析与讨论

研究表明，生物炭通过其高比表面积、芳香结构和表面电荷特性，显著增强了氯酚的滞留能力。单氯酚因较强的电子供体特性，与生物炭的π体系形成强电子供体-受体相互作用；而高氯代酚则通过静电作用和诱导偶极相互作用实现滞留。这种机制转变使生物炭改良土壤能够有效阻控不同极性特征的有机污染物。

该研究首次系统阐明了生物炭修饰冲积土中氯酚迁移的分子机制，为优化河岸过滤系统设计提供了重要理论支撑。研究证实，通过调控生物炭的理化特性，可实现对有机污染物迁移行为的精准调控，为地下水保护和水质安全保障提供了创新解决方案。