生物质炭对土壤无机污染物迁移行为影响研究进展

生物质炭材料来源广泛,制备工艺相对简单,且具备丰富的含氧官能团、发达的孔隙结构和表面电荷,对有机污染物和各类无机污染物(重金属、氮磷、放射性元素)均具有良好的潜在吸附能力,被认为是一种低成本、高效的新型环境功能吸附材料.本文针对重金属、氮磷等土壤无机物,在介绍生物质炭基本性质的基础上,综述了生物质炭吸附无机污染物的机制,探讨了应用于无机污染土壤缓解和修复的可行性,并指出了相应的发展趋势.生物质炭的基本特性受来源材料性质、裂解温度等主要因子的影响,其碳含量和结构、H/C比值、孔隙结构、pH等性质有较大差异,这也导致生物质炭对重金属、氮磷等无机污染物的吸附机制包含了表面物理吸附、络合作用、静电引力、阳离子交换、共沉淀、碘-碳特殊作用等多种机制.然而,受土壤复杂理化性质和生物活性、生物质炭迁移性和稳定性等因素影响,生物质炭在无机污染土壤缓解和修复中的应用有很大潜力,但尚存在不确定性、调控性差等问题,甚至反而会活化土壤中的污染物.因此,在应用生物质炭缓解和修复重金属污染土壤时,应充分考虑土壤性质、污染程度和类型与生物质炭性质的匹配度.生物质炭更适合pH和有机质含量较低的镉、铅、铜、锌等重金属污染土壤;与低温生物质炭相比,高温生物质炭的适用范围更广.     

改性生物质炭对原油污染土壤中苏丹草萌发的影响

为探究原油胁迫下改性生物质炭对苏丹草种子萌发和幼苗生长的影响,在土壤含油率4％的原油污染土壤中分别添加硝酸和芬顿试剂改性的棉花秸秆生物质炭,采用土培发芽试验研究两种改性生物质炭不同添加量(炭土质量比为2％和4％)对苏丹草发芽率、胚芽长、胚根长、生物量和土壤总石油烃降解率的影响.结果 表明:施用生物质炭和改性生物质炭均能显著提高土壤有机质含量(P<0.05),未改性生物质炭添加会提升土壤pH值,硝酸和芬顿试剂改性生物质炭添加会降低土壤pH值.相比于未加生物质炭处理,添加生物质炭可以显著提高苏丹草发芽率、胚芽长和植株生物量,改性生物质炭对种子生长的促进效果更好,4％硝酸改性生物质炭处理的胚芽长和生物量比对照组分别增加了67.83％和80.26％.生物质炭和改性生物质炭添加均能显著提高土壤中总石油烃降解率,与未加生物质炭处理相比,添加4％生物质炭和4％芬顿改性生物质炭处理的总石油烃降解率分别增加了23.86、20.89个百分点.研究表明,在原油胁迫下,添加改性生物质炭有助于减缓原油污染对苏丹草种子萌发的负面效应,生物质炭的改性方法和添加量会影响苏丹草与生物质炭共同作用下土壤中石油烃的短期降解效果.     

木薯渣基生物质炭对土壤中阿特拉津 吸附特性的影响

以木薯渣为前驱物,采用持续升温限氧法制备了不同温度(350、550、750益)的生物质炭(BC350、BC550 和BC750),并对其结构和成分进行了表征。基于guideline106 批量平衡法,研究了生物质炭对砖红壤中阿特拉津吸 附行为的影响。结果表明,阿特拉津的吸附动力学是一个先快后慢的过程,生物质炭施用可缩短阿特拉津达到吸 附平衡的时间,施入量越多,达到饱和的时间越短。施入量相同条件下,最早到达平衡的处理是BC750,BC550 次 之,BC350 最后达到饱和。伪二级动力学方程能较好地描述生物质炭对砖红壤中阿特拉津的吸附动力学特性（R2> 0.864）。阿特拉津在生物质炭土壤中的吸附等温线表现为非线性,分配作用和表面吸附作用联合是主要机制。在土 壤中添加3%和5%BC750 的处理用Temkin 方程拟合最佳,其余处理均符合Langmuir 方程和Freundlich 方程。logKF 值随着生物质的量增加而逐渐增大。对于不同温度制备的生物质炭,logKF 的大小顺序表现为BC750>BC550> BC350,说明土壤中阿特拉津的吸附能力与生物质炭的热解温度有关。此外,阿特拉津的吸附-解吸过程存在明显 的滞后现象,滞后系数HI 均大于1,且表现为BC750>BC550>BC350。因此,土壤中阿特拉津的风险评价和修复需 考虑滞后现象。     

玉米秸秆生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附机理研究

以玉米秸秆为原料,在350℃和700℃热解温度下分别制备了两种生物炭(BC350和BC700),并对其理化性质进行了表征.在700℃下制备的生物炭芳构化程度更高,疏水性更强,比表面积更大,孔结构发育更加完全.研究Cd(Ⅱ)在两种生物炭上的吸附发现,Two-site Langmuir吸附等温模型比One-site Langmuir吸附等温模型能更好描述Cd(Ⅱ)在生物炭表面的吸附.BC700对Cd(Ⅱ)的吸附容量大于BC350,解吸率远小于BC350,吸附效果更好;离子交换和阳离子-π作用两种吸附机理同时存在并共同作用,前者分别占BC350和BC700总吸附容量的13.7％和1.1％,后者分别占86.3％和98.9％,阳离子-π作用是最主要的吸附机理.红外光谱FTIR分析表明,生物炭表面的含氧官能团和π共轭芳香结构分别提供不同机理的吸附位点.由于具有更多的离子交换位点,BC350对Cd(Ⅱ)吸附受pH影响较BC700更大.     

稻草生物质炭对3种可变电荷土壤吸附Cd（Ⅱ）的影响

按土重的3%和5%向采自海南和广西的3种可变电荷土壤中添加由稻草制备的生物质炭,混合培养30d后用一次平衡法研究了生物质炭对土壤吸附Cd(Ⅱ)的影响及其与土壤表面电化学性质的关系,旨在阐明生物质炭促进可变电荷土壤吸附和固定Cd(Ⅱ)的机制。结果表明,添加稻草炭显著提高了3种土壤的阳离子交换量(CEC)和土壤pH,并使土壤胶体Zeta电位向负值方向位移。因此,添加稻草炭增加了土壤表面的负电荷量,土壤表面对Cd(Ⅱ)的吸附容量增强,使3种可变电荷土壤对Cd(Ⅱ)的吸附量增加,且Cd(Ⅱ)吸附量的增幅随稻草炭添加水平的提高而增加。Freundlich方程和Langmuir方程可以拟合3种土壤对Cd(Ⅱ)的吸附等温线,但Freundlich方程拟合效果更好,该方程表征吸附容量的参数k也随着稻草炭添加水平提高而增大。研究表明在pH3.0～5.0范围内,稻草炭均增加土壤对Cd(Ⅱ)的吸附量。添加稻草炭提高土壤pH,促进Cd(Ⅱ)的吸附,因为Cd(Ⅱ)的吸附量随pH升高而增加。解吸实验表明,添加稻草炭处理Cd(Ⅱ)的解吸量高于对照处理,说明生物质炭提高了土壤对Cd(Ⅱ)的静电吸附量。     

微波加热硝酸氧化改性稻壳基生物质炭对Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝的吸附作用

通过研究四种改性生物质炭吸附重金属离子Pb(Ⅱ)和阳离子型染料亚甲基蓝的动力学效应、等温吸附效应、溶液初始pH效应和共吸附效应,探讨微波辅助加热在生物质炭氧化改性中的作用。结果表明,改性稻壳基生物质炭能够有效吸附Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝,吸附容量显著高于初始生物质炭。Langmuir方程和Freundlich方程能很好地拟合改性稻壳基生物质炭吸附Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝的等温数据(R20.90)。改性生物质炭吸附Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝的动力学研究显示,改性稻壳基生物质炭对Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝的吸附主要发生在前2 h内,吸附过程符合伪二级动力学模型。随着溶液中pH的增大,Pb(Ⅱ)的去除率迅速增加,并在pH6时达到最大,亚甲基蓝的去除率在实验pH范围内也随pH缓慢上升,在pH为8~9时达到最大并逐渐趋于平衡。Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝的共吸附效应表明,随着摩尔比值[MB/Pb(Ⅱ)]的增大,亚甲基蓝抑制了改性稻壳基生物质炭对Pb(Ⅱ)的吸附。微波加热硝酸氧化改性显著提高600℃热裂解生物质炭对Pb(Ⅱ)的吸附性能和300℃热裂解生物质炭对亚甲基蓝的吸附性能。     

生物质炭对茶园土壤水溶性氟吸附特性的影响

采用室内培养试验法对添加生物质炭的茶园土壤水溶性氟吸附特性进行了研究。结果表明,茶园土壤随生物质炭添加量增加对水溶性氟的吸附量和吸附率均逐渐降低,应用等温吸附Langmuir方程、Freundlich方程和Temkin方程均能够较好地描述其吸附规律,其中以Freundlich方程拟合曲线最佳。随生物质炭添加量的增加土壤氟净吸附量逐渐降低。各处理土壤的氟吸附动力学过程包含吸附快反应和慢反应阶段,平衡时间小于120 min区间为吸附量快速上升期,平衡时间达到1 440 min后0.25%和0.50%生物质炭添加量处理土壤基本达到平衡状态。从双常数方程、Elovich方程和一级动力学方程拟合方程计算得到的理论吸附量与试验实测吸附量之间的符合程度较高,可准确描述添加生物质炭土壤对水溶性氟的吸附过程。添加生物质炭使土壤pH值升高与茶园土壤对水溶性氟最大吸附量、吸附强度和净吸附量的降低密切相关。     

施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附砷(Ⅴ)的影响

  目的  考察生物质炭及铁改性生物质炭对土壤吸附砷[As(Ⅴ)]的影响。  方法  以法国梧桐Platanus orientalis修剪枝为原料在650 ℃限氧条件下热解制备生物质炭,并通过氯化铁(FeCl₃)溶液浸渍、热解,将其进一步制备成铁改性生物质炭,对比考察改性后生物质炭理化性质和表面官能团的变化;并通过批量吸附试验探究不同As (Ⅴ)初始质量浓度、吸附时间对施炭土壤吸附As (Ⅴ)效果和规律的影响,通过分析吸附等温线特征和吸附动力学特征,探明吸附机制。  结果  铁改性生物质炭较原始生物质炭pH、比表面积及官能团数量降低,但灰分质量分数和电导率有所增加;Langmuir模型能较好拟合施炭土壤对As(Ⅴ)的吸附过程,表明吸附以单分子层为主。当As (Ⅴ)溶液初始质量浓度大于25 mg·L?1后,铁改性生物质炭对As (Ⅴ)的吸附量大于原始生物质炭,且最大吸附量为0.36 mg·g?1。原始生物质炭和铁改性生物质炭对As (Ⅴ)的动力学吸附符合准二级动力学方程,吸附过程在4 h前后分别为快速吸附和慢速吸附2个阶段,在24 h左右趋于平衡,且铁改性生物质炭处理下土壤的饱和吸附量比原始生物质炭处理高11%。  结论  施用2种生物质炭均能提高土壤对As (Ⅴ)的吸附效果,且铁改性生物质炭的吸附效果优于原始生物质炭。因此,施用铁改性生物质炭可以加强土壤对As (Ⅴ)的吸附作用从而降低As生物有效性。图6表3参39     

6种低温生物质炭的制备及结构表征

以6种常见的农业废弃物为原料,研究其生物质炭制备工艺及结构特征,并探究炭化物用于土壤改良的可行性.采用正交试验设计生物质炭制备工艺,结合比表面积、红外光谱、扫描电镜等分析产物理化性质及结构特点.结果表明:分别优化得到6种低温生物质炭的制备工艺,其得率大小排列顺序:玉米芯(36.10％)＞玉米秸秆(34.73％)＞瓜子壳(34.07％)＞菇渣(33.89％)＞杨树枝条(32.28％)＞大豆秸秆(28.16％);杨树炭、菇渣炭、大豆秸秆炭中灰分含量较大,田间持水量较高,且表面富含多种离子,表明其保水保肥性能较优;玉米芯炭、瓜子壳炭碳含量较高,施入土壤有助于增加土壤碳汇;菇渣炭和玉米芯炭比表面积较大,电镜照片显示其孔隙发达,内部孔隙彼此贯通,显示了良好的吸附性能.     

甘蔗渣基生物质炭对溶液中Cd(Ⅱ)的吸附解吸作用

以典型南方农业废弃物甘蔗渣为前驱物,于350、450、550℃限氧条件下制备3种生物质炭,分别标记为BC350、BC450、BC550,研究其对溶液中Cd(Ⅱ)的吸附解吸特性,并探讨了p H值对吸附过程的影响。结果表明:伪二级动力学模型能较好地描述生物质炭对Cd(Ⅱ)的吸附动力学过程,其理论平衡吸附量(qe)大小顺序为BC550BC450BC350;生物质炭对Cd(Ⅱ)的吸附过程可采用Freundlich模型(平均R2为0.997 9)和Langmuir模型(平均R2为0.997 8)进行拟合,Langmuir模型可更好地描述Cd(Ⅱ)在3种生物质炭上的解吸过程(平均R2为0.924 0);生物质炭对Cd(Ⅱ)的吸附与解吸过程是不可逆的,存在着明显的迟滞效应(HI为1.347~1.944),并表现为负滞后效应;生物质炭对Cd(Ⅱ)的吸附量随溶液初始p H值的增大呈现先增加后减少的趋势,p H值为6时吸附量最大。因此,甘蔗渣基生物质炭能够强烈吸持溶液中的Cd(Ⅱ)且具明显的解吸迟滞效应,可作为外源Cd(Ⅱ)去除的良好环境功能材料。