生物质热解转化为生物炭施入土壤进行污染修复,被认为同时具有废弃物资源化利用与环境污染修复的双重环境效益。生物炭表面具有丰富的官能团以及共轭碳结构,使其具有良好的氧化还原活性。当施加生物炭进入土壤后,其可以与土壤污染物发生氧化还原反应,进而修复土壤污染。然而,关于生物炭作为电子供体以及电子穿梭体参与土壤污染修复过程中的电子传递机制的研究还十分匮乏。本文系统研究了生物炭参与还原土壤Cr(Ⅵ)过程中的电子传递机制,并探讨了土壤主要组分对该电子传递机制的影响。主要结论如下:(1)花生壳生物炭可以作为电子供体还原Cr(Ⅵ),其供电子能力随着热解温度先下降(400-600°C)后上升(600-800°C),600°C制备得到的花生壳生物炭的电子供体能力最弱。生物炭的主要供电子基团由羟基转变为苯环共轭的碳氧结构。同时,生物炭可以介导弱还原剂乳酸钠还原Cr(Ⅵ),生物炭的介导还原速率最高可以达到单独生物炭还原速率的16.3倍以及单独乳酸钠还原速率的345倍。生物炭的电子介导能力随着热解温度升高而上升,介导机制由官能团参与的间接介导转化为苯环共轭结构带来的直接介导。(2)生物炭可以协同土壤小分子有机酸与大分子腐殖质还原Cr(Ⅵ)。生物炭与有机质的交互过程显著影响了其协同还原效果。低温生物炭协同有机酸的速率常数可以达到1.10-7.09×10^-3 h^-1,其主要通过与有机酸的氧化还原过程传递电子,还原性最好的酒石酸与低温生物炭的协同还原效果最好;高温生物炭协同有机酸的速率常数可以达到7.40-864×10^-3 h^-1,其主要通过吸附有机酸传递电子,吸附量最大的草酸与高温生物炭的协同还原效果最好。生物炭协同土壤腐殖质的还原效果弱于小分子有机酸。(3)土壤铁矿会降低生物炭对Cr(Ⅵ)的还原能力。相较于单独生物炭对Cr(Ⅵ)的还原速率常数,铁矿的加入使其由2.18-2.47×10^-2 h^-1降低至0.71-1.51×10^-2 h^-1。其主要原因为铁矿对于生物炭表面官能团的氧化效应以及铁矿与生物炭形成复合结构,铁碳复合物会覆盖于生物炭表面,阻碍其电子传递过程。游离铁离子与晶型较差的无定形铁矿对生物炭供电子能力的抑制更显著。铁矿与有机酸的复合作用促进了生物炭还原Cr(Ⅵ)的效果。相较于有机酸与生物炭两者对Cr(Ⅵ)的协同还原速率常数,铁矿的存在使得还原速率常数由2.58-3.05×10^-2 h^-1提升至2.91-27.2×10^-2 h^-1。铁矿与有机酸共存时,对Cr(Ⅵ)还原的促进作用同样归结于两个原因:一方面有机酸可以作为络合剂减少铁矿与生物炭的复合;另一方面,有机酸可以作为电子供体,被生物炭和生物炭还原产生的Fe(II)介导,进而加速这一电子传递过程。(4)老化过程改变了生物炭还原Cr(Ⅵ)的电子供体与电子介导能力。相较于老化前的生物炭,老化后的生物炭对Cr(Ⅵ)的电子供体能力降低,还原速率常数由2.18-2.47×10^-2 h^-1降低至0.67-1.95×10^-2 h^-1。与土壤矿物质的共老化过程后,生物炭表面还原性-C-OH官能团的含量由26.77-43.74%降低至6.94-24.14%,这导致了老化后的生物炭对Cr(Ⅵ)还原速率常数的降低。铁离子由于自身氧化作用加速了生物炭的氧化,进而导致还原速率常数的降低幅度最大,而锰离子与粘土矿物由于还原能力与物理保护作用降低了生物炭表面官能团的氧化,进而保护了生物炭对Cr(Ⅵ)的还原能力。矿物质对生物炭的物理保护来源于土壤矿物质与生物炭形成矿物-有机复合物。生物炭的介导能力在老化后也发生了改变。其介导弱还原剂乳酸钠对Cr(Ⅵ)的还原速率由3.91-5.82×10^-3 h^-1改变至0.33-22.3×10^-3 h^-1,铁、锰离子由于自身的氧化还原活性提升了介导速率,而钙、铝离子与粘土矿物对介导速率的影响不显著,甚至由于表面覆盖以及与络合作用对其呈现抑制作用。(5)在混合培养体系以及对模拟Cr(Ⅵ)污染土壤中,生物炭都可以有效地还原固定Cr(Ⅵ)。生物炭-Cr(Ⅵ)-土壤组分混合培养体系中,生物炭可以固定28.5-82.4%的Cr(Ⅵ);而在人工模拟土壤中,生物炭的加入使得可提取的Cr(Ⅵ)浓度降低了6.6-50.5%。在模拟土壤培养体系中,铬最终可能以Cr₂O₃、Cr OOH、Cr(OH)₃、Fe_xCr_2-xO₃等矿物形态或是以吸附态存在于生物炭或是铁矿表面。与溶液简单体系中的结论相同,小分子酸与铁矿可以参与生物炭还原Cr(Ⅵ)的电子传递路径进而改变生物炭对Cr(Ⅵ)的还原效果。铁矿本身抑制了生物炭对Cr(Ⅵ)的还原,而其与小分子酸共存时提升了生物炭对Cr(Ⅵ)的还原效果。土壤组成的不同影响了生物炭还原Cr(Ⅵ)的效果以及电子传递机制。本研究的结论阐述了生物炭的电子传递机制随热解温度的变化,并在水溶液体系、模拟土壤的混合静置体系、人工模拟污染土壤体系下系统探讨了土壤组分参与生物炭还原Cr(Ⅵ)过程的电子传递机制。实验结论有助于解释生物炭参与土壤电子传递过程并为生物炭对土壤Cr(Ⅵ)污染的修复应用提供了理论基础。