生物炭修復(fù)后土壤重金屬再遷移行為及驅(qū)動機(jī)制研究.pdf

1、重金屬污染關(guān)系著生態(tài)安全和人體健康，重金屬污染土壤修復(fù)是目前所面臨的緊急任務(wù)。生物炭自身穩(wěn)定性強(qiáng)，比表面積大，表面官能團(tuán)豐富，含有一定的礦物質(zhì)(K、Ca、Mg、P)，顯堿性，對重金屬Pb、Cd、Cu等有較好的吸附能力，可用于重金屬污染土壤的修復(fù)治理。但生物炭修復(fù)土壤重金屬的原理是通過與重金屬發(fā)生沉淀、吸附等作用而降低土壤中重金屬的移動性，從而降低其生態(tài)危害，并非從總量上去除重金屬。當(dāng)環(huán)境條件變化時，被生物炭吸附的重金屬是否活化而發(fā)生再遷

2、移是客觀評價生物炭修復(fù)重金屬穩(wěn)定性的重要內(nèi)容。因此本文通過人工模擬老化實驗研究在溫度、氧化等老化作用下，已被生物炭吸附的Pb、Cd發(fā)生再釋放的風(fēng)險;通過單一水力學(xué)條件下、水力學(xué)和界面化學(xué)雙重條件下的石英砂柱實驗，研究生物炭顆粒在石英砂柱中的徑向遷移特征及生物炭已吸附Pb、Cd的再遷移行為、分布規(guī)律及關(guān)鍵驅(qū)動因子。
　　本研究第一部分通過對飽和吸附Cd、Pb的生物炭分別進(jìn)行化學(xué)老化、物理老化和自然老化實驗，通過對在三種老化作用下，秸

3、稈生物炭在不同時間重金屬的TCLP提取率來評價生物炭對Pb、Cd修復(fù)的穩(wěn)定性。結(jié)果表明:三種老化作用下，秸稈生物炭TCLP提取態(tài)Pb(TCLP-Pb)和Cd(TCLP-Pb)隨著老化時間持續(xù)降低。老化56d時，化學(xué)老化、物理老化和自然老化處理的TCLP-Cd較老化初期分別降低了49.23％、26.08％和18.58％;TCLP-Pb較老化初期分別下降了75.38％、37.81％和18.74％。老化作用促進(jìn)了生物炭表面已吸附Cd和Pb的進(jìn)

4、一步穩(wěn)定化，穩(wěn)定化效果依次為化學(xué)老化＞物理老化＞自然老化。重金屬進(jìn)一步穩(wěn)定化的機(jī)理為老化作用提高生物炭表面氧化性，增加含氧官能團(tuán)，增加了生物炭表面的破碎化，而破碎的生物炭有利于生物炭內(nèi)部的P、Mg、Ca等元素的溶解釋放，為Cd、Pb提供更多的吸附點位，因此老化作用并未活化生物炭表面已吸附的Pb，Cd，而是促進(jìn)其進(jìn)一步穩(wěn)定化。
　　本研究第二部分通過對單一水力學(xué)條件下，生物炭在石英砂柱遷移實驗，研究生物炭懸濁液在不同流速（2.18和

5、6.05ml/mm）條件下，生物炭顆粒在砂柱中的遷移特征和分布規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)流速為2.18ml/min時，生物炭在石英砂柱中的滯留量為767.00g，而當(dāng)流速為6.05ml/mm時，滯留量為489.01g，是低速條件下滯留量的63.76％。流速增加，生物炭顆粒在石英砂柱中的擴(kuò)散性減弱，提前穿透現(xiàn)象明顯，穿透曲線曲線斜率增加，說明生物炭在石英砂柱中的滯留能力隨著流速的增加而逐漸降低。當(dāng)流速為2.18ml/min時，生物炭在石英砂柱中從

6、上到下呈階梯狀分布，在0-0.5cm的滯留量最大;當(dāng)流速為6.05ml/mm時，生物炭在0.5-1cm最大，為總量的31.56％。
　　本研究第三部分通過對雙重作用下，生物炭在石英砂柱中的遷移實驗，研究生物炭在不同流速（1.06和5.96ml/min）和離子強(qiáng)度（去離子水和0.05M NaNO3）條件下，生物炭在石英砂柱中的遷移特征及驅(qū)動機(jī)制。結(jié)果顯表明:在三種淋溶條件下，1號柱條件下生物炭發(fā)生遷移的質(zhì)量最低，為0.5355g;2

7、號柱條件下生物炭發(fā)生遷移質(zhì)量最大，為0.8691g。1號柱條件下，徑向遷移距離最小約1.5-2cm;3號柱條件下生物炭徑向遷移距離遷移最大，約為3-3.5cm。
　　在界面化學(xué)的作用下，離子強(qiáng)度的增加，秸稈生物炭和石英砂顆粒表面的ζ電位降低，兩者之間表面的雙電層斥力降低，抑制生物炭內(nèi)部所堿性物質(zhì)的釋放，環(huán)境溶液pH降低，導(dǎo)致生物炭和石英砂顆粒表面的負(fù)電荷減少，使得生物炭更容易吸附在石英砂顆粒表面;但是溶液中離子強(qiáng)度增加，生物炭顆粒

8、的雙電層被壓縮，Φmax相應(yīng)減小，Φmin相應(yīng)增加，更多的生物炭顆粒通過活性碰撞進(jìn)入第二極小勢能處發(fā)生沉降。在水力學(xué)作用下，流速的增加，使生物炭表面的Zeta電位高，生物炭的穩(wěn)定性較好，不易吸附在石英砂顆粒表面;并且孔隙水流速的增加，產(chǎn)生的水動力剪切力促使生物炭顆粒向石英砂柱更深層遷移，最終導(dǎo)致生物炭顆粒繼續(xù)向更深處遷移。
　　本研究第四部分通過對雙重作用下，飽和吸附Cd、Pb的生物炭在飽和石英砂中的遷移實驗，研究生物炭及已吸附的

9、Pb、Cd在不同流速（1.06和5.96ml/min）和離子強(qiáng)度（去離子水和0.05MNaNO3）條件下的再遷移行為、分布規(guī)律及關(guān)鍵驅(qū)動因子。結(jié)果表明:吸附重金屬Cd、Pb后的生物炭，在石英砂柱中發(fā)生遷移的質(zhì)量與未吸附Cd、Pb的生物炭增加了73.35％、51.21％和82.23％。在三種淋溶條件下，隨著時間的推移，生物炭會將吸附了的Cd、Pb釋放出來，導(dǎo)致生物炭和石英砂顆粒表面的電負(fù)性增加。通過Zeta電位也可以看出，吸附了重金屬的生

10、物炭在石英砂柱不同深度的Zeta電位較未吸附的生物炭高。致使在吸附了重金屬之后生物炭發(fā)生遷移的量增多。離子強(qiáng)度和流速的增加，促使生物炭吸附Cd和Pb的活化，秸稈生物炭對Pb2+的吸附主要為離子交換作用，對Cd2+的吸附主要為陽離子-π鍵作用。流速增加，致使石英砂顆粒表面電負(fù)性增加，Pb2+和Cd2+在石英砂柱中的滯留量增加。
　　本研究第五部分通過對雙重作用下飽和吸附Cd、Pb的生物炭在土柱中的遷移實驗，研究已被生物炭吸附的Pb、

11、Cd在不同流速（0.18和1.06ml/min）和離子強(qiáng)度（去離子水和0.05M NaNO3）條件下的再遷移行為、分布規(guī)律及關(guān)鍵驅(qū)動因子。結(jié)果表明:間隙水中的Cd、Pb及DOC濃度，與離子強(qiáng)度的變化成正相關(guān)，與流速的變化呈負(fù)相關(guān)。在土柱深度為2cm處，三種條件下間隙水中重金屬濃度的變化和DOC相關(guān)性較好;在土柱5cm處，隨著離子強(qiáng)度的增加，間隙水中Pb2+濃度和DOC濃度相關(guān)性增加，Cd2+濃度和DOC濃度相關(guān)性減弱。隨著流速的增加，土

12、壤顆粒對重金屬的吸附能力增強(qiáng)，重金屬離子遷移能力降低;而隨著離子強(qiáng)度的增加，生物炭顆粒和土壤顆粒對Cd和Pb吸附能力減弱，重金屬離子遷移性增強(qiáng)，并且離子強(qiáng)度的增加對Pb的影響大于Cd的影響。離子強(qiáng)度增加抑制土壤和生物炭內(nèi)部DOC的釋放，而流速的增加，間隙水中DOC濃度基本保持一致，并且處于平衡狀態(tài)，對DOC的釋放與遷移影響較小。由于生物炭顆粒和土壤對Pb的穩(wěn)定主要通過離子交換作用，對Cd的穩(wěn)定主要通過陽離子π鍵作用，導(dǎo)致在土柱不同深度C