秸稈生物質(zhì)炭的性質(zhì)及其對可變電荷土壤吸附Pb(Ⅱ)和 Cd(Ⅱ)的影響.pdf

1、我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中每年都產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，雖然其中一部分通過直接還田、牲畜飼養(yǎng)或作為工業(yè)原料、燃料等方式得到處置，但仍有超過2億噸的秸稈直接在田間焚燒。秸稈焚燒不僅造成資源浪費，還會污染環(huán)境，帶來一系列的社會問題。另一方面，受金屬礦的開采和冶煉、含重金屬農(nóng)藥的使用、污水灌溉等人為活動的影響，水體和土壤中的重金屬逐漸累積，造成嚴重污染，并通過食物鏈傳遞危害人類健康。
　　 生物質(zhì)炭是生物質(zhì)在厭氧或者絕氧的條件下進行熱解

2、，生成的一種含碳豐富的固體物質(zhì)。生物質(zhì)炭表面含有大量可變負電荷、活性含氧官能團，能有效吸附水體中的重金屬陽離子，添加生物質(zhì)炭也能促進酸性土壤對重金屬的吸附，但生物質(zhì)炭促進土壤吸附重金屬的機制目前還不完全清楚。
　　 為此，本文選擇花生秸稈、大豆秸稈、油菜秸稈和稻草四種農(nóng)作物秸稈，采用厭氧熱解的方法制備了相應(yīng)的生物質(zhì)炭，研究了這些生物質(zhì)炭對可變電荷土壤的性質(zhì)影響，以及生物質(zhì)炭對可變電荷土壤吸附重金屬的影響及其機制。本研究主要開展了

3、以下四方面的工作:
　　 (1)選擇四種農(nóng)作物秸稈（花生秸稈、稻草秸稈、大豆秸稈、油菜秸稈），前兩者分別于300℃、400℃、500℃，后兩者分別于400℃溫度下制備了八種相應(yīng)的生物質(zhì)炭，并以商品活性炭作為對比。測定了8種生物質(zhì)炭和活性炭的性質(zhì)，結(jié)果表明，豆科物料制備的生物質(zhì)炭含堿量、官能團含量高于非豆科物料制備的生物質(zhì)炭，但前者陽離子交換量和Zeta電位絕對值低于后者。隨著制備溫度的上升，生物質(zhì)炭的含堿量增加，含氧官能團的數(shù)量

4、下降。但所有生物質(zhì)炭的合堿量、官能團數(shù)量和陽離子交換量均高于活性炭。因此，生物質(zhì)炭是表面有多孔結(jié)構(gòu)、含氧官能團豐富、堿性物質(zhì)和大量負電荷的高效吸附劑。
　　 (2)按土重的3％和5％向采自海南和廣西的3種可變電荷土壤中添加由稻草制備的生物質(zhì)炭，混合培養(yǎng)30天后用一次平衡法研究了生物質(zhì)炭對土壤吸附Cd(Ⅱ)的影響及其與土壤表面電化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，以闡明生物質(zhì)炭促進可變電荷土壤吸附和固定Cd(Ⅱ)的機制。結(jié)果表明添加稻草炭顯著提高了3

5、種土壤的陽離子交換量(CEC)和土壤pH，并使土壤Zeta電位向負值方向位移。因此添加稻草炭增加了土壤表面的負電荷量，土壤表面對Cd(Ⅱ)的吸附親和力增強，使3種可變電荷土壤對Cd(Ⅱ)的吸附量增加，且Cd(Ⅱ)吸附量的增幅隨稻草炭添加水平的提高而增加。Freundlich方程和Langmuir方程可以擬合3種土壤對Cd(Ⅱ)的吸附等溫線，且Freundlich方程擬合效果更好。Freundlich方程表征吸附容量的k也隨著稻草炭添加水

6、平增高而提高。研究表明在pH3.0-5.0范圍內(nèi)，稻草炭均增加土壤對Cd(Ⅱ)的吸附量。添加稻草炭提高土壤pH，促進Cd(Ⅱ)的吸附，因為Cd(Ⅱ)的吸附量隨pH升高而增加。解吸實驗表明，添加稻草炭處理Cd(Ⅱ)的解吸量高于對照處理，說明生物質(zhì)炭提高了土壤對Cd(Ⅱ)的靜電吸附量。
　　 (3)用相似方法研究了稻草炭對可變電荷土壤吸附Pb(Ⅱ)的影響，結(jié)果表明添加稻草炭也促進了可變電荷土壤對Pb(Ⅱ)的吸附，Pb(Ⅱ)吸附量隨稻

7、草炭添加水平的提高而增加。稻草炭可以通過靜電吸附和非靜電吸附兩種機制促進Pb(Ⅱ)吸附，但以非靜電吸附機制為主，即通過生物質(zhì)炭表面的含氧官能團與Pb(Ⅱ)形成絡(luò)合物，增加Pb(Ⅱ)的專性吸附量。特別是在低pH下，非靜電吸附量增加更為明顯。因此在酸性土壤中，加入生物質(zhì)炭能增加Pb(Ⅱ)的非靜電吸附，降低有效態(tài)Pb(Ⅱ)含量，使植物可利用態(tài)的Pb(Ⅱ)減少。
　　 (4)研究了4種農(nóng)作物秸稈制備的生物質(zhì)炭對2種可變電荷土壤的性質(zhì)及吸

8、附Pb(Ⅱ)的影響，結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭使土壤pH提高了1.04-3.00個pH單位，且對同種物料而言，不同制備溫度下制備的生物質(zhì)炭對土壤pH的增加幅度，隨生物質(zhì)炭制備溫度的上升而增加;相同制備溫度下，大豆秸稈炭和花生秸稈炭使土壤pH的增加幅度高于油菜秸稈炭和稻草炭。Pb(Ⅱ)吸附的實驗結(jié)果表明，添加生物質(zhì)炭增加了Pb(Ⅱ)在可變電荷土壤表面的吸附量。土壤對Pb(Ⅱ)的吸附量隨體系pH升高而增加。Freundlich方程和Langmu

9、ir方程可以很好地擬合添加生物質(zhì)炭后2種土壤對Pb(Ⅱ)的吸附等溫線，且Freundlich方程擬合效果更好，r值均在0.94以上。Freundlich和Langmuir方程中表征吸附容量的參數(shù)k和Qm的數(shù)據(jù)均表明，花生秸稈炭和大豆秸稈炭促進Pb(Ⅱ)吸附的效果優(yōu)于稻草炭和油菜秸稈炭，400℃下制備的生物質(zhì)炭促進2種土壤吸附Pb(Ⅱ)的效果優(yōu)于300℃和500℃下制備的生物質(zhì)炭。解吸實驗結(jié)果表明，添加秸稈炭處理土壤表面吸附Pb(Ⅱ)的解