生物質(zhì)炭中SO42-的釋放及生物質(zhì)炭對(duì)黃土吸附SO42-的影響研究.pdf

1、硫不僅是供給作物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，而且也是植物體內(nèi)許多重要組分的組成元素，其對(duì)植物的生長起著至關(guān)重要的作用。目前，土壤缺硫或潛在缺硫給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失，并且對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅。生物質(zhì)炭(Biochar)是生物質(zhì)在部分或完全限氧條件下，經(jīng)過高溫?zé)峤馓炕苽涞囊活惥哂懈叨确枷慊?、難溶性的富碳物質(zhì)。在應(yīng)用于提高土壤碳庫容量、減少土壤中氮磷的淋溶、修復(fù)污染土壤以及緩解全球氣候變暖等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。生物質(zhì)炭本身含有比較

2、豐富的營養(yǎng)元素，其中所含硫有望作為外源硫，豐富土壤硫組分，而生物質(zhì)炭的組成和性質(zhì)與生物質(zhì)來源、熱解條件密切相關(guān)。因此，迫切需要探明生物質(zhì)炭中硫含量、存在形態(tài)與生物質(zhì)組成和熱解溫度之間的關(guān)系。同時(shí)，生物質(zhì)炭因其孔洞結(jié)構(gòu)、表面電荷和表面官能團(tuán)等特征而具有良好的吸附性能，將其施入土壤后，不僅對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生影響，也必將影響影響營養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化行為及其植物有效性。然而，目前關(guān)于生物質(zhì)炭影響土壤營養(yǎng)元素環(huán)境行為的研究多集中于氮、磷、鉀等，

3、因此，系統(tǒng)研究不同組成和結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)炭存在下可溶性硫化合物的吸附作用具有重要意義。
　　本文選擇玉米秸稈和牛糞作為原材料，在三種熱解溫度下制備得到生物質(zhì)炭，探明生物質(zhì)炭中硫形態(tài)、含量與生物質(zhì)組成和熱解溫度之間的關(guān)系，考察了水-生物質(zhì)炭體系下可溶性硫酸鹽的釋放，重點(diǎn)研究了生物質(zhì)炭施加進(jìn)黃土后可溶性硫酸鹽的吸附作用，討論吸附機(jī)理，具體研究結(jié)果如下:
　　(1)分別在300℃、500℃和700℃下熱解兩種生物質(zhì)制備生物質(zhì)炭（分別標(biāo)

4、記為CSBC300、CSBC500、CSBC700、DMBC300、DMBC500和DMBC700，其中CSBC代表玉米秸稈生物質(zhì)炭，DMBC代表牛糞生物質(zhì)炭）。通過元素分析和比表面積測(cè)定，結(jié)合掃描電鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X-射線衍射(XRD)等分析手段，探究生物質(zhì)來源和熱解溫度對(duì)生物質(zhì)炭性質(zhì)的影響。隨著制備溫度的升高，CSBC和DMBC的灰分含量升高，比表面積增大，表面孔道變得無序、粗糙，生物質(zhì)炭中非極性脂肪官

5、能團(tuán)減少而芳香性增加。由XRD圖譜可知，CSBC和DMBC表現(xiàn)出很高的晶型結(jié)構(gòu)，且DMBC在石英特征峰強(qiáng)度明顯更大，并含有較多的礦物特征峰。
　　探討了生物質(zhì)炭中硫形態(tài)、含量與熱解溫度和生物質(zhì)組成之間的關(guān)系，并且在水-生物質(zhì)炭體系下，考察了生物質(zhì)炭中可溶性硫酸鹽的釋放。結(jié)果表明，生物炭中不同形態(tài)硫含量與生物質(zhì)組成和熱解溫度密切相關(guān)。CSBC和DMBC隨著熱解溫度的升高，CSBC和DMBC中可溶性硫酸鹽含量占總硫含量的比例下降，而有

6、機(jī)硫含量占總硫含量的比例增大。CSBC500相比較CSBC300而言總硫含量損失了約21％，而DMBC500較DMBC300而言，總硫含量損失了約16％。在同一溫度下制備的兩種生物質(zhì)炭中，CSBC中可溶性硫酸鹽含量高于DMBC。
　　(2)在水溶液體系下，進(jìn)行批平衡實(shí)驗(yàn)來探究反應(yīng)時(shí)間，溶液的初始pH值和添加Hoagland營養(yǎng)液(HNS)對(duì)生物質(zhì)炭中SO42-釋放的影響。準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型可以很好的擬合釋放動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，在初始2小時(shí)內(nèi)

7、，CSBC300中SO42-的釋放量約12.2 mg/g，而CSBC700中SO42-的釋放量約為2.86 mg/g。 pH對(duì)SO42-的釋放有不同的影響，S O42-的釋放可能與不同溫度下生成的生物質(zhì)炭中硫形態(tài)的含量有關(guān)。HNS的加入導(dǎo)致溶解硫酸鹽和過量的Ca2+和Mg2+之間形成沉淀物而導(dǎo)致SO42-釋放量的減少。
　　(3)選擇了在水體系下SO42-的釋放量最少的CSBC700和DMBC700兩種生物質(zhì)炭，采用批量平衡實(shí)驗(yàn)法

8、，探究將其施加進(jìn)黃土中對(duì)SO42-吸附的影響?？疾炝朔磻?yīng)時(shí)間、初始SO42-溶液濃度、反應(yīng)溫度和溶液初始pH值對(duì)SO42-吸附過程的影響，并且利用紅外光譜、X射線衍射等分析手段對(duì)吸附前后的生物質(zhì)炭和黃土分別進(jìn)行了表征分析。結(jié)果表明:黃土對(duì)的SO42-的吸附速率最大，最先達(dá)到吸附平衡;CSBC700、DMBC700、黃土-生物質(zhì)炭(CSBC700+Loess、DMBC700+ Loess)和黃土(Loess)對(duì)SO4>的吸附動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)模型

9、更符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，并且準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出來的理論吸附量分別為2.56、3.26、3.61、3.55、3.56和3.61 mg/g; Langmuir等溫方程能更好地描述CSBC700、DMBC700、CSBC700+Loess、DMBC700+ Loess和Loess對(duì)SO42-的吸附行為;生物質(zhì)炭、黃土以及黃土-生物質(zhì)炭對(duì)S O42-的吸附反應(yīng)為自發(fā)吸熱反應(yīng)，并且在此實(shí)驗(yàn)條件下，DMBC700對(duì)SO42-的吸附較CSBC70

10、0更容易進(jìn)行;隨著溶液初始pH的增加，CSBC700、DMBC700、CSBC700+ Loess、DMBC700+ Loess和Loess對(duì)SO42-的吸附量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)的分析并且結(jié)合FTIR和XRD的表征討論可以得出，CSBC700、DMBC700、CSBC700+ Loess、DMBC700+Loess和Loess對(duì)SO42-的吸附行為以化學(xué)吸附為主，其中，CSBC700和DMBC700對(duì)SO42-的吸附機(jī)制主要