生物炭對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)我國(guó)部分區(qū)域的水體和土壤重金屬鉛污染問(wèn)題,探究了花生殼生物炭和中藥渣生物炭對(duì)溶液中鉛的吸附過(guò)程、吸附速率以及吸附能力,闡明了生物炭對(duì)鉛的吸附機(jī)制并且計(jì)算出各個(gè)機(jī)制對(duì)總吸附的貢獻(xiàn)。通過(guò)綜合考慮生物炭制備成本、物理化學(xué)性質(zhì)及生物炭對(duì)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(duì)土壤中鉛的固持效果印度芥菜的生長(zhǎng)和植株對(duì)鉛的富集狀

3、況,以及植物根系生長(zhǎng)對(duì)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(kāi)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(duì)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(wú)機(jī)元素(K、Ca、Mg、P和S)在熱解中累積下來(lái)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(duì)Pb2+的

5、吸附逐漸增加,在pH為6時(shí),部分生物炭對(duì)Pb2+的吸附量出現(xiàn)降低。生物炭對(duì)Pb2+的最佳吸附pH為5。
　　(3)動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果表明:生物炭對(duì)Pb2+的吸附可分為快吸附和慢吸附兩個(gè)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(duì)Pb2+的吸附過(guò)程包括以下三個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)Pb2+具有更強(qiáng)的吸附能力,而高溫中藥渣生物炭(≥500°C)對(duì)Pb2+的吸附能力則超過(guò)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(duì)Pb2+吸附量超過(guò)了MBC500和

7、MBC600,具有更強(qiáng)的吸附能力。
　　(5)生物炭對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí),生物炭對(duì)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(shí),生物炭對(duì)印度芥菜的生長(zhǎng)無(wú)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(wú)顯著性差異。而較高鉛污染程度(1000 mg kg-1)下,