生物質炭對土壤環(huán)境重金屬歸趨的影響機制.pdf

1、生物質炭因其綠色環(huán)保，廉價易得，且對有機和無機污染物具有高效的固定能力而受到廣泛的關注。本研究以雞糞和干化污泥為原料，500℃熱解并經(jīng)O3氧化處理制備臭氧改性生物質炭，研究臭氧改性對生物質炭的性質和重金屬固定能力的影響;以酸性紅壤為研究對象，探究生物質炭中的重金屬在土壤中的形態(tài)轉化過程和分子機理;以礦區(qū)污染土壤為研究對象，探討生物質炭還田對土壤中重金屬的宏觀和微觀作用機理，為合理評估和調控生物質炭的農(nóng)用提供理論與技術支撐。主要研究結論如

2、下:
　　(1)通過紅外光譜(FTIR)、X光電子能譜(XPS)、X射線衍射(XRD)、比表面積(BET)和化學分析等方法，探究了臭氧氧化前后雞糞炭和污泥炭的化學組成和結構特性。結果表明，臭氧氧化可以提高雞糞炭的含氧官能團含量（主要是羧基），但對污泥炭的作用不大;雞糞炭和污泥炭中的硫主要以無機硫形式存在;雞糞炭中的礦物主要為SiO2和CaCO3，污泥炭中的礦物主要為CaSO4、SiO2和CaCO3。
　　(2)通過批量吸附實

3、驗、FTIR和XRD等方法，研究了雞糞炭和污泥炭對重金屬鉛、銅和鋅固定能力及作用機理。雞糞炭對這三種重金屬的最大吸附容量Qm為Pb(903.36mmol/kg)＞Cu(196.08mmol/kg)＞Zn(64.10mmol/kg)，污泥炭對這三種重金屬的最大固定能力為Pb（2927.44mmol/kg）＞Cu(158.73mmol/kg)＞Zn（45.45mmol/kg）。雞糞炭和污泥炭對鉛、銅和鋅的固定均以沉淀作用為主，以表面絡合和M

4、-π作用為輔。
　　(3)通過盆栽實驗，并結合化學提取、FTIR、XPS、Cu的K邊吸收譜(XANES)等方法，研究臭氧氧化雞糞炭(PBO)和臭氧氧化污泥炭(SBO)中的重金屬銅、鋅在酸性紅壤中的形態(tài)變化。結果表明，生物質炭在紅壤培養(yǎng)過程中其含氧官能團含量增加，Na、Mg和S等元素釋放。PBO中Cu的主要存在形態(tài)為CuS(50.9％)，CuO(28.5％)，Cu-citrate(20.6％)，培養(yǎng)三個月后，CuO完全溶解。SBO中

5、的Cu主要以CuS(69.6％)和Cu-citrate(30.4％)形態(tài)存在，培養(yǎng)九個月后，部分CuS被氧化，Cu2+與有機官能團結合;PBO中Zn的主要形態(tài)為鐵錳氧化物結合態(tài)和殘渣態(tài)，SBO中的Zn主要以有機/硫化物結合態(tài)存在。生物質炭在土壤培養(yǎng)過程中，部分Zn釋放到土壤中，并隨著土壤溶液發(fā)生垂向遷移。
　　(4)通過C1s NEXAFS、P的K邊XANES和S的K邊XANES探究PBO的碳、磷和硫在礦區(qū)污染土壤中的變化，結果顯

6、示，PBO在旱作玉米過程中，芳香性增加，羧基碳和羥基碳含量增加。淹作水稻過程，PBO中取代基芳香碳和羧基碳含量增加，而羥基碳和羰基碳含量降低。P的K邊XANES擬合結果顯示，PBO中磷主要以羥基磷灰石(70.9％)形態(tài)存在，培養(yǎng)過程中穩(wěn)定態(tài)的羥基磷灰石逐漸向活性較強的磷酸鋁和磷酸二氫鈣轉化，淹作水稻促進生物質炭中磷的活化。S的K邊XANES擬合結果顯示，PBO中硫主要以Kjarosite、Na2SO4、Al2(SO4)3、CaSO4形態(tài)

7、存在，有機硫含量不足5％，培養(yǎng)過程中硫酸鹽逐漸釋放。淹水條件生物質炭中硫的活性較旱作條件大。
　　(5)采用CaCl2、TCLP、EDTA和SBET提取方法研究培養(yǎng)條件和生物質炭的添加對礦區(qū)污染土壤中鉛砷鋅活性的影響，結果顯示:砷在培養(yǎng)過程中活性增加，生物質炭還田由于磷的釋放導致砷的活化加劇;作物生長可能會導致土壤鋅的活化，特別是旱作種植玉米，鋅的活化非常明顯，導致第三年度玉米生長受到嚴重抑制，生物質炭還田可以緩解鋅對植物的生物毒

8、害。鉛在土壤中的活性較低，生物質炭還田對土壤鉛的植物有效性、淋瀝性均有明顯抑制作用。
　　(6)土壤中鉛主要以化學沉淀相為主:Pb5(PO4)3Cl、Pb(OH)2、Pb(OH)Cl、PbFe4O7，其在土壤中的活性主要受溶度積的控制。淹作土壤PbS增加，Pb(OH)2-占比減少。供試土壤鉛本身活性較低，富磷生物質炭還田對土壤鉛形態(tài)的影響不是非常明顯，但土壤溶液pH的升高，以及低溶解度的類Pb(OH)Cl物質占比的提高均會控制土壤

9、溶液鉛的濃度。
　　(7)土壤鋅的主要存在形態(tài)為Zn3(PO4)2、Zn-LDH、aqueous Zn、Kaolinite-Zn、Zn-sorbed gibbsite。以Zn3(PO4)2、Zn-LDH沉淀相為主，占66.1％。PBO還田，土壤中Kaolinite-Zn、Zn3(PO4)、Zn-LDH占比增加，外表面絡合相(aqueous Zn)占比減少，說明生物質炭釋放PO43-、Al3+、OH-導致上述沉淀相增加，易交換的絡合