生物炭對水體和土壤環(huán)境中重金屬鉛的固持.pdf

1、生物炭(biochar)是由廢棄生物質(zhì)在厭氧或限氧環(huán)境下,通過熱解(一般小于700°C)得到的一類穩(wěn)定的、高度芳香化的多孔狀富碳固型材料。由于含有豐富的表面含氧官能團(tuán)、較發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)及大量的灰分組成等特性,生物炭在固碳、溫室氣體減排(CO2、N2O)、土壤改良和作物增產(chǎn)等多方面具有良好的應(yīng)用前景,已受到全球科學(xué)工作者和決策者的廣泛關(guān)注。本文以農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物花生殼和醫(yī)藥廢棄物中藥渣為原料,通過不同熱解溫度(300~600°C)制備生物炭,表

2、征了不同熱解溫度生物炭的物理化學(xué)性質(zhì),分析了熱解溫度與生物炭特性間的內(nèi)在聯(lián)系。針對我國部分區(qū)域的水體和土壤重金屬鉛污染問題,探究了花生殼生物炭和中藥渣生物炭對溶液中鉛的吸附過程、吸附速率以及吸附能力,闡明了生物炭對鉛的吸附機(jī)制并且計算出各個機(jī)制對總吸附的貢獻(xiàn)。通過綜合考慮生物炭制備成本、物理化學(xué)性質(zhì)及生物炭對鉛的吸附能力,篩選出適宜生物炭。將篩選出的生物炭添加到鉛污染土壤中,研究生物炭對土壤中鉛的固持效果印度芥菜的生長和植株對鉛的富集狀

3、況,以及植物根系生長對土壤中鉛存在形態(tài)的影響。這些研究結(jié)果為建立經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的重金屬污染土壤的生物炭原位修復(fù)技術(shù)體系提供了重要的理論依據(jù)。在構(gòu)建生物質(zhì)綜合開發(fā)利用模式,最終實(shí)現(xiàn)向低能耗、低污染、低排放的可持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)模式的成功轉(zhuǎn)變方面具有重要意義。主要研究結(jié)果如下:
　　(1)選擇山東省典型的農(nóng)業(yè)殘余物花生殼以及有可觀產(chǎn)量的中藥渣(黃精等混合物)為原料制備生物炭,研究熱解溫度對生物炭基本物化特性的影響。研究結(jié)果表明:隨著熱解溫

4、度的升高,花生殼和中藥渣的熱解程度逐漸增加,生物炭的產(chǎn)率不斷降低;碳(C)含量增加,氫(H)、氧(O)和氮(N)含量減少;pH和灰分含量增加;表面總酸性官能團(tuán)種類減少、數(shù)量降低;多環(huán)、雜環(huán)的芳香類化合物不斷形成,芳香性增加;孔隙結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展,比表面積增加;無機(jī)元素(K、Ca、Mg、P和S)在熱解中累積下來含量增加,但可溶出的Ca2+、Mg2+和PO43-含量降低。
　　(2)隨著溶液pH值的增加(pH:2~5),生物炭對Pb2+的

5、吸附逐漸增加,在pH為6時,部分生物炭對Pb2+的吸附量出現(xiàn)降低。生物炭對Pb2+的最佳吸附pH為5。
　　(3)動力學(xué)研究結(jié)果表明:生物炭對Pb2+的吸附可分為快吸附和慢吸附兩個階段。生物炭中酸性官能團(tuán)種類、含量以及礦物組分形態(tài)、含量可能是影響快吸附和慢吸附分布比例和速率的關(guān)鍵因素。生物炭對Pb2+的吸附過程包括以下三個方面:溶液中Pb2+經(jīng)膜擴(kuò)散到達(dá)生物炭表面;Pb2+吸附于生物炭外層表面的活性位點(diǎn);Pb2+經(jīng)孔隙擴(kuò)散到生物炭

6、孔內(nèi)的吸附位點(diǎn),發(fā)生吸附。生物炭對Pb2+的吸附速率受膜擴(kuò)散、孔擴(kuò)散和絡(luò)合、沉淀等化學(xué)反應(yīng)的控制。
　　(4)吸附等溫線結(jié)果表明:不同熱解溫度生物炭對Pb2+的吸附具有很強(qiáng)的異質(zhì)性,低溫花生殼生物炭(≤400°C)對Pb2+具有更強(qiáng)的吸附能力,而高溫中藥渣生物炭(≥500°C)對Pb2+的吸附能力則超過低溫中藥渣生物炭。然而,在高濃度的Pb2+溶液中(Ce≥1000 mg L-1),MBC400對Pb2+吸附量超過了MBC500和

7、MBC600,具有更強(qiáng)的吸附能力。
　　(5)生物炭對溶液中Pb2+的吸附由多種化學(xué)作用共同決定,其吸附機(jī)制主要包括:含氧官能團(tuán)絡(luò)合作用、Pb2+-π作用和共沉淀作用。生物炭中礦物組分與Pb2+的共沉淀作用是生物炭吸附Pb2+的主要機(jī)制。隨熱解溫度的升高,含氧官能團(tuán)絡(luò)合作用對生物炭吸附 Pb2+的貢獻(xiàn)減小,而 Pb2+-π作用的貢獻(xiàn)則逐漸增加。共沉淀作用對總吸附的貢獻(xiàn)受生物炭中礦物種類和存在形態(tài)影響顯著,高溫生物炭(≥500°C)

8、中礦物組分的結(jié)晶化抑制了共沉淀作用對吸附的貢獻(xiàn)。
　　(6)鉛污染土壤中施加BC400后,土壤pH值顯著增加,越高的生物炭添加量(5％)引起的土壤pH值上升幅度越大。BC400的施加顯著降低了鉛污染土壤的NH4NO3浸提態(tài)鉛含量,減少量與 BC400的添加量有關(guān)。鉛污染土壤中施加BC400后,印度芥菜的株高和葉面積明顯改善。低鉛污染(200 mg kg-1)高添加量(5%)時,生物炭對印度芥菜生物量的促進(jìn)作用明顯,特別是地下部生物

9、量;較高鉛污染(1000 mg kg-1)低添加量(1%)時,生物炭對印度芥菜的生長無顯著性促進(jìn)作用。鉛污染土壤中施加 BC400后,印度芥菜地上部和地下部鉛含量均顯著降低。在 BC400修復(fù)后的鉛污染土壤中,印度芥菜根系附著的根際土壤pH值小于非根際土壤的。低鉛污染土壤(200 mg kg-1)中BC4001%和5%的添加處理下,根際土壤的NH4NO3浸提態(tài)鉛含量與非根際的無顯著性差異。而較高鉛污染程度(1000 mg kg-1)下,