土壌重金属汚染浄化のためのバイオ炭の応用研究.総説

Application Research of Biochar for the Remediation of Soil Heavy Metals Contamination: A Review.

• Sheng Cheng
• Tao Chen
• Wenbin Xu
• Jian Huang
• Shaojun Jiang
• Bo Yan

抄録

重金属による土壌汚染は農産物の品質や健康を脅かすものであり、継続的な土地の品質低下を抑制するためには、経済的かつ効果的な浄化技術を選択する必要がある。本稿では、重金属汚染土壌の浄化のための添加剤としてのバイオ炭の適用について、その調製技術と性能特性、浄化メカニズムと効果、重金属のバイオアベイラビリティへの影響などの観点から概説する。バイオ炭は、植物や動物由来のバイオマスを熱化学的に変換することで生成されるカーボンニュートラルまたはカーボンネガティブな生成物である。バイオ炭は、土壌のpH値と有機炭素含有量の増加、土壌の保水能力の向上、重金属の利用可能な割合の低減、農作物の収量の増加、重金属の取り込みと蓄積の抑制など、多くの利点を示しています。バイオマスの種類、熱分解温度、加熱速度、滞留時間などの条件の違いが、バイオ炭の性能特性を左右する重要な要素である。バイオ炭のpH値や溶存有機炭素・灰分の影響を受け、バイオ炭と重金属との相互作用機構は、主に錯形成,還元,陽イオン交換,静電引力,沈殿などである。最後に、バイオ炭の原位置浄化戦略の潜在的なリスクを明らかにし、バイオ炭の安全な生産と持続可能な利用を確保するための今後の研究の方向性を示した。

Soil contamination by heavy metals threatens the quality of agricultural products and human health, so it is necessary to choose certain economic and effective remediation techniques to control the continuous deterioration of land quality. This paper is intended to present an overview on the application of biochar as an addition to the remediation of heavy-metal-contaminated soil, in terms of its preparation technologies and performance characteristics, remediation mechanisms and effects, and impacts on heavy metal bioavailability. Biochar is a carbon-neutral or carbon-negative product produced by the thermochemical transformation of plant- and animal-based biomass. Biochar shows numerous advantages in increasing soil pH value and organic carbon content, improving soil water-holding capacity, reducing the available fraction of heavy metals, increasing agricultural crop yield and inhibiting the uptake and accumulation of heavy metals. Different conditions, such as biomass type, pyrolysis temperature, heating rate and residence time are the pivotal factors governing the performance characteristics of biochar. Affected by the pH value and dissolved organic carbon and ash content of biochar, the interaction mechanisms between biochar and heavy metals mainly includes complexation, reduction, cation exchange, electrostatic attraction and precipitation. Finally, the potential risks of in-situ remediation strategy of biochar are expounded upon, which provides the directions for future research to ensure the safe production and sustainable utilization of biochar.