牛粪和核桃壳生物炭对水溶液中Cd2+和Zn2+的吸附研究

为有效去除水溶液中Cd~(2+)和Zn~(2+),以牛粪和核桃壳为原料,在不同热解温度下制取生物炭,采用等温吸附法和动力吸附法研究生物炭对水溶液中Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附效果和动力学特性,通过生物炭吸附前后的XRD和FTIR表征对比,探究其吸附机理。结果表明:生物质原材料的种类和热裂解温度是影响生物炭吸附效果的两大因素,牛粪生物炭比核桃壳生物炭吸附效果好,700℃制备的生物炭比300℃制备的生物炭吸附效果好;生物炭对Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附符合Langmuir方程;700℃制备的牛粪生物炭(DM700)对Cd~(2+)和Zn~(2+)的吸附性能最佳,饱和吸附量分别为117.5 mg·g~(-1)和59.4 mg·g~(-1),其吸附过程由快速吸附和慢速吸附两个阶段组成,符合准二级动力学方程;吸附机理主要是生物炭中的羟基和羧基与Cd~(2+)、Zn~(2+)间发生离子交换和络合反应,Cd~(2+)、Zn~(2+)被吸附后进一步生成CdCO_3和Zn_3(PO_4)_2沉淀。这说明,DM700具备作为水溶液中Cd~(2+)、Zn~(2+)吸附剂的潜力,本研究为生物炭去除水中重金属和土壤重金属污染的修复提供了理论依据与应用参考。     

加拿大一枝黄花生物炭对Cd2+的吸附特性及机理

以外来入侵种加拿大一枝黄花为原料,探究不同成分在不同热解温度下制得的生物炭的基本性质及其对水中Cd~(2+)的吸附能力、最优吸附工艺条件和吸附机制,以提高其资源化利用效率。结果表明:以茎叶混合作为原料在450℃下热解制得的加拿大一枝黄花生物炭(SCBC450)对Cd~(2+)吸附能力最优。正交结果显示,3种所选因素对生物炭吸附Cd~(2+)的影响程度依次为吸附质起始浓度pH温度;当pH=6、温度35℃、吸附质起始浓度50 mg·L~(-1)时,Cd~(2+)的吸附效率最高,可达(95.6±0.38)%。SCBC450对Cd~(2+)的吸附过程符合二级动力学模型,以化学吸附为主,且符合Langmuir等温吸附模型,最大理论吸附量达107.03 mg·g~(-1)。通过对生物炭吸附前后的XPS、FTIR和SEM-EDS分析可知,其对Cd~(2+)的吸附机制包括离子交换、络合反应、沉淀作用和物理吸附。因此,加拿大一枝黄花生物炭对Cd~(2+)的吸附具有极大的应用潜力。     

木薯渣基生物质炭对水中Cd2+ Cu2+的吸附行为研究

以木薯渣为原料,制备不同温度(350、450、550℃)的生物质炭(BC350、BC450、BC550),对其性质进行表征,探究吸附时间、溶液初始浓度、温度、p H对生物质炭吸附Cd~(2+)、Cu~(2+)作用的影响。结果表明:生物质炭对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附平衡时间随着生物质炭热解温度的升高而缩短,伪二级动力学模型能较好地描述吸附动力学特性(R20.983)。吸附等温线符合Freundlich模型和Langmuir模型,但Freundlich模型拟合的线性更好,R2分别在0.951~0.998和0.992~0.998之间,说明生物质炭对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附为多层吸附。lg KF值表示吸附能力,随生物质炭热解温度的升高而增大,说明BC550吸附效果最好,对Cd~(2+)、Cu~(2+)的最大吸附量分别为15.55和5.44 mg·g-1。生物质炭对Cd~(2+)、Cu~(2+)的吸附具有自发的特性,吸附量随p H的增加先增加后下降,最适p H分别为5.5和6.5。     

不同原料和热解条件制备的生物炭的性质及其对Cu~(2+)、Cd~(2+)的吸附效果

针对愈发严重的水体重金属污染,通过灌溉重金属流入农田严重影响农产品质量安全的问题,以南方区域农业废弃物水稻秸秆(RSC)、谷壳(RHC)和中药渣(HRC)为原料制备生物炭,研究不同原料、不同热解温度(300,500,700℃)、不同热解时间(2,3,4 h)条件下制备生物炭的理化性质及其对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果。结果表明,热解温度对生物炭的理化性质及其对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果存在显著影响,而热解时间对其无显著影响。生物炭的灰分含量、pH和P含量均随着热解温度的升高而显著增加,产率和N含量显著降低;生物炭对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附量和去除率随着热解温度的升高显著提高;生物炭对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附量与其本身的灰分含量、pH以及P含量存在显著的正相关性。3种原料制备的生物炭对重金属Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果由大到小总体表现为:RSC、RHC和HRC,且对Cd~(2+)的吸附效果大于Cu~(2+)。综合来看,热解温度为700℃时制备的RSC对Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附效果好,最大去除率分别达99.88%和99.14%。     

高铁酸钾/高锰酸钾改性生物炭对Cd2+的吸附研究

为增强生物炭对Cd的吸附性能,以600℃制备的酒糟生物炭(BC)为原料,采用K_2FeO_4和KMnO_4氧化活化的方式制备改性生物炭,分别标记为BCFE和BCMN,采用全自动比表面积和孔隙度分析仪(BET)、电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)对改性前后酒糟生物炭的性质进行分析,并探究改性生物炭对Cd~(2+)的吸附效果。结果表明,添加K_2FeO_4和KMnO_4可有效地将Fe和Mn负载到生物炭上,分别在生物炭表面生成铁氧化物与锰氧化物。BCFE的总官能团含量分别是BC和BCMN的1.8倍和1.5倍,BCFE的含氧官能团与芳香性结构更为丰富。K_2FeO_4和KMnO_4改性显著提高了生物炭的比表面积,3种材料比表面积表现为:BCFE(2 302.0m~2·g-1)BCMN(521.3 m2·g-1)BC(245.9 m2·g-1)(P0.05),BCFE的比表面积分别是BC和BCMN的9.4倍和4.4倍。吸附试验结果显示,当达到吸附平衡时,3种材料对Cd~(2+)的吸附量大小表现为BCFE(7.46 mg·g-1)BCMN(5.61 m2·g-1)BC(1.46 m2·g-1)(P0.05)。3种生物炭对Cd~(2+)的吸附动力学模型均符合准二级动力学模型,吸附速率由快至慢排序为:BCFEBCMNBC;吸附等温模型均符合Langmuir模型,吸附过程为单分子层吸附,最大吸附量(Qm)表现为:BCFEBCMNBC。因此,K_2FeO_4和KMnO_4改性处理显著改善了生物炭的结构,提高了对Cd的吸附能力,且K_2FeO_4改性效果明显优于KMnO_4。可见,经K_2FeO_4改性的生物炭具有较好的吸附潜力,可作为Cd废水处理的有效材料。     

热解温度对制备不同类型秸秆生物炭及其吸附去除Cu2+的影响

[目的]探讨热解温度对制备不同类型秸秆生物炭及其吸附去除Cu~(2+)的影响。[方法]以玉米、水稻、芝麻3类秸秆为原料于400~700℃热解炭化制备生物炭,探讨热解温度对秸秆生物炭的结构官能团、比表面积、孔径分布等结构及理化性质的影响,并评价生物炭对Cu~(2+)的吸附性能。[结果]生物炭的pH和比表面积随热解温度的升高而逐渐增大,而产率却逐渐稳定,其中热解温度的变化对水稻和芝麻秸秆生物炭的影响更为明显;此外,生物炭对Cu~(2+)的吸附效率与生物炭的种类和热解温度有关,升高热解温度有利于提高生物炭对Cu~(2+)的吸附去除率,且水稻和芝麻秸秆生物炭的吸附效率明显高于玉米秸秆生物炭,其中700℃下热解所制备的水稻和芝麻秸秆生物炭对Cu~(2+)的去除率可达100%。[结论]该研究可为控制农业环境污染提供科学依据。     

生物炭和乙醇改性生物炭对铜的吸附研究

为研究生物炭和乙醇改性生物炭的特性及其对铜的吸附能力,选取小麦秸秆为原料,在300、450、600℃条件下热解制备生物炭,用于研究乙醇改性生物炭的产油率、生物炭和乙醇改性生物炭的表面官能团变化、亲水性能及其对Cu~(2+)的吸附特性。结果表明:乙醇改性生物炭产油率随热解温度升高而增加。生物炭和乙醇改性生物炭不同温度接触角范围为122.6°~89.3°和96.0°~68.7°,乙醇改性生物炭亲水性明显高于未经改性生物炭。生物炭和改性生物炭对Cu~(2+)的吸附符合二级动力学模型,生物炭吸附速率常数达1.535 g·mg~(-1)·h~(-1),乙醇改性生物炭为1.073 g·mg~(-1)·h~(-1)。二者对Cu~(2+)的等温吸附过程符合Langmuir等温吸附模型,生物炭和乙醇改性生物炭最大吸附量分别为44.3 mg·g-1和41.7 mg·g-1,说明使用乙醇萃取生物炭生物质油后,仍能保持90%左右的Cu~(2+)吸附效率。     

不同热解温度生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附研究

以稻壳(RH)和棉花秸秆(CS)为原料,在300、400、500、600、700℃下制备了生物炭,研究不同添加量、不同初始pH、吸附时间对生物炭吸附水溶液中Pb~(2+)的影响。结果表明:生物炭添加量越大对Pb~(2+)的去除效果越好;热解温度越高,达到同样去除效果所需生物炭的量越少;吸附效果与溶液的pH呈正相关,pH在4~7的范围内,高温生物炭去除Pb~(2+)的效果更好。生物炭对Pb~(2+)的吸附更符合拟二级动力学模型(R~2≥0.992),热解温度越高,吸附速率越快,同时中温(500℃)和高温(600、700℃)生物炭对Pb~(2+)的平衡吸附量不低于49.0 mg·g~(-1)。制备稻壳和棉花秸秆生物炭较合适的温度是500℃。     

微生物陈化可提升麦秆水热炭对Cd2+吸附性能

为提升水热炭对Cd~(2+)的吸附性能,使用麦秆水热炭,在厌氧发酵条件下对其进行微生物陈化改良,通过扫描电镜(SEM)、比表面积和孔分析(BET)、红外光谱分析(FTIR)、X射线光电子能谱分析(XPS)等现代技术手段对水热炭微生物改良前后的表面特性进行了系统表征,并通过吸附实验考察了微生物陈化过程对水热炭吸附Cd~(2+)的过程及机制。结果表明:随陈化时间的增加,水热炭的比表面积提升近5倍;pH由酸性逐渐接近中性;水热炭陈化后表面负电荷增多;O/C增加、H/C减少;表面C-C键强度降低,而含氧官能团相对强度增加。微生物陈化过程显著提升了水热炭对Cd~(2+)的吸附能力。微生物陈化水热炭对Cd~(2+)的吸附能力与体系pH值和温度呈正相关。微生物陈化水热炭对Cd~(2+)的吸附机制以化学吸附为主导,主要为单分子层均相吸附;官能团络合、表面静电作用、离子交换、π键配位作用对Cd~(2+)的吸附起到了重要作用。研究表明,微生物陈化处理可显著改变水热炭的孔隙结构并提升对Cd~(2+)的吸附性能。     

氧化老化过程对生物炭吸附镉的影响及机制

为研究氧化老化过程对生物炭性质及其对镉(Cd~(2+))吸附能力的影响及机制,以过氧化氢(H_2O_2)化学氧化方法模拟稻壳生物炭在自然环境中的氧化老化过程,通过等温吸附试验研究氧化老化过程对生物炭吸附Cd~(2+)能力的影响,运用扫描电镜和能谱分析(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和~(13)C核磁共振技术探究氧化老化过程中生物炭对Cd~(2+)的吸附机制。结果表明:氧化老化过程中生物炭的元素组成和比表面积变化不明显,但含氧基团增多,芳香性增强。老化前后生物炭对Cd~(2+)的吸附均符合准二级动力学模型,但氧化老化过程抑制了稻壳生物炭对Cd~(2+)的吸附能力,在298 K时,Langmuir预测Cd~(2+)在生物炭上的最大吸附量分别为未老化生物炭(BC,21.48 mg·g~(-1))氧化老化1次生物炭(OBC1,15.07 mg·g~(-1))氧化老化2次生物炭(OBC2,7.56 mg·g~(-1))氧化老化3次生物炭(OBC3,7.51 mg·g~(-1))。生物炭吸附Cd~(2+)的机理主要有表面络合作用、阳离子-π作用和离子交换作用,氧化老化后碱金属元素的变化抑制了表面吸附作用。     

超声/K2S2O8体系降解水中左旋氧氟沙星的研究

【目的】研究超声/K₂S₂O₈体系对水中抗生素左旋氧氟沙星的降解效果。【方法】利用超声波粉碎装置,采用HPLC分析法,考察了反应条件、K₂S₂O₈添加质量浓度、溶液初始pH值、左旋氧氟沙星初始质量浓度对水中左旋氧氟沙星降解率的影响,并分析了左旋氧氟沙星降解过程中总有机碳（TOC）去除率及HPLC图谱的变化。【结果】与单独超声和K₂S₂O₈氧化相比,超声/K₂S₂O₈对水中左旋氧氟沙星具有明显的降解效果,这主要是因为体系中硫酸根自由基（SO₄^-·）的氧化作用所致。K₂S₂O₈添加质量浓度在1.0～4.0 g/L时,左旋氧氟沙星的降解率随其添加质量浓度的增大而提高;超声/K₂S₂O₈降解水中左旋氧氟沙星时,体系pH在未调节（pH=7.14）条件下效果最佳;左旋氧氟沙星初始质量浓度在10～30 mg/L时,左旋氧氟沙星的降解率随其初始质量浓度的增加先升高后降低。超声/K₂S₂O₈对左旋氧氟沙星的矿化效果也非常明显,在超声功率为195 W、pH=7.14、左旋氧氟沙星初始质量浓度为20 mg/L、K₂S₂O₈添加质量浓度为4.0 g/L条件下反应240 min时,左旋氧氟沙星TOC的去除率达到56.78%。HPLC分析发现,超声/K₂S₂O₈体系降解左旋氧氟沙星的过程中有3种中间产物生成。【结论】超声/K₂S₂O₈体系可有效降解水中的左旋氧氟沙星。     

黄腐酸对黄土性土壤磷吸附解吸动力学性质的影响

采用连续液流法研究了黄腐酸处理对５种黄土性土壤Ｈ＿２ＰＯ＿４￣（－１）吸附、解吸动力学性质及有效性的影响。结果表明：①黄腐酸处理对Ｈ＿２ＰＯ＿４￣（－１）吸附、解吸动力学模型的拟合性无影响，但能使Ｈ＿２ＰＯ＿４￣（－１）的吸附速度及吸附量分别降低１６．７％～６６．７％及１５．３％～６５．４％，解吸速度及解吸量分别增加１４．３％～９４．４％及１０．８％～８１．４％；②黄腐酸处理能使磷的有效系数降低３８．３％～７２．０％，Ｈ＿２ＰＯ＿４￣（－１）的有效性大幅度提高。黄腐酸对黄土性土壤Ｈ＿２ＰＯ＿４￣（－１）有明显的活化作用。     

水孔蛋白协助玉米副卫细胞中H2O2的跨膜转运

【目的】探索玉米气孔副卫细胞中H_2O_2的来源,以阐明禾本科植物气孔运动过程中保卫细胞和副卫细胞协同调节的机理。【方法】采用细胞化学方法对H_2O_2进行亚细胞荧光定位,以Tubulin和GAPDH为内参基因,利用qPCR技术,对玉米水孔蛋白基因ZmPIP2;4、ZmPIP2;5和ZmPIP2;6表达量进行分析,从而确定水孔蛋白协助玉米副卫细胞中H_2O_2的跨膜转运。【结果】光暗处理组,加水孔蛋白抑制剂AgNO_3与不加AgNO_3副卫细胞中的H_2O_2积累相反;外源H_2O_2引起副卫细胞中H_2O_2积累,先加入水孔蛋白抑制剂AgNO_3再加外源H_2O_2处理后副卫细胞中H_2O_2不积累;短细胞发生后,副卫细胞中的H_2O_2开始积累,同时ZmPIP2;5基因的相对表达量上调;随着水分胁迫程度增加,ZmPIP2;4、ZmPIP2;5、ZmPIP2;6基因的相对表达量随短细胞发生上调。【结论】水孔蛋白具有转运H_2O_2的功能,玉米叶片下表皮副卫细胞中的H_2O_2是外源的,其积累和清除可能与水孔蛋白ZmPIP2;5的转运有关。     

城市污水的微生物-植物联合修复对水体N2O、N2和O2释放的影响

针对城市河道污染水体治理这一问题,采用自主研发的自然水体原位收集装置对微生物和微生物-植物联合修复过程中气体N₂O、N₂及O₂释放的特征进行野外原位监测。结果表明:微生物菌剂和微生物-植物联合净化期间水体氧化亚氮(N₂O)释放速率均值分别为10.68、5.91 μmol·m^-2·h^-1,与对照比,降幅分别为16.37%和53.86%;氮气(N₂)释放速率均值分别为1.49、0.87 mmol·m^-2·h^-1,降幅分别为5.70%和67.54%;氧气(O₂)释放速率均值分别为1.14、0.69 mmol·m^-2·h^-1,降幅分别为14.93%和72.06%;微生物菌剂及微生物-植物联合净化期间,目测水体透明度转好,藻类含量降低,水体溶氧由超饱和状态(17.17 mg·L^-1)降至正常水体溶氧水平(9.49 mg·L^-1),降幅达到50%,可能是水体氧气释放速率降低的原因。因此,微生物-植物联合净化能显著降低水体N₂O、N₂及O₂的释放速率,推测是由于微生物和水生植物对水体养分的同化作用产生营养竞争,抑制了微生物反硝化作用产生N₂O、N₂并抑制藻类生长产生O₂及增加水体溶氧的原因。     

添加生物黑炭对茶园土壤CO2、N2O排放的影响

采用室内培养试验,研究了不同生物黑炭施用量对两种茶园土壤(红壤和黄壤)CO₂、N₂O排放特征的影响。生物黑炭用量设5个水平:H0(0 g·kg^-1)、H1(3.56 g·kg^-1)、H2(7.11 g·kg^-1)、H3(14.22 g·kg^-1)、H4(28.44 g·kg^-1).结果表明:红壤茶园土壤CO₂排放量显着高于黄壤,N₂O排放总量则低于黄壤;与H0处理相比,施用低量的生物黑炭(H1)对两种茶园土壤CO₂排放无显着影响;高量的生物黑炭处理(H3、H4)则显着增加土壤CO₂排放量,增幅为20%~47%(P<0.05).生物黑炭施用后(H2、H3、H4)明显降低两种茶园土壤N₂O释放速率及反硝化损失率,土壤N₂O排放总量降幅为37%~63%(P<0.05),反硝化损失量降幅22%~54%(P<0.05),且均随着生物黑炭施用量增加而增大。此外,从土壤pH值、无机氮含量和硝化率角度,探讨了生物黑炭影响茶园土壤CO₂和N₂O排放的因素。     

TiO2-SiO2改性香蕉皮生物炭对水中二氯喹啉酸吸附性能研究

为了寻找有效去除污水中二氯喹啉酸（QNC）的方法，以农业废弃物香蕉皮为原料，磷酸、TiO2和SiO2为活化剂，制备了TiO2-SiO2改性香蕉皮生物炭（Ti-Si-BC）。采用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（FTIR）、比表面积法（BET）和元素分析（EDS）等手段对改性前后生物炭的物理化学性质进行表征，研究了Ti-Si-BC对QNC的吸附机理以及接触时间、初始浓度、温度和吸附剂用量等因素对吸附效果的影响。结果表明：磷酸、TiO₂和SiO₂的协同改性显著提高了生物炭的比表面积并增加了吸附点位。在QNC初始浓度为60 mg·L^-1时，Ti-Si-BC对QNC的吸附率是天然香蕉皮生物炭（BC）的2.5倍。Ti-Si-BC对QNC的吸附动力学过程更符合准二级动力学模型，说明吸附包括表面的物理吸附和内部的化学扩散。等温吸附过程更符合Freundlich模型，说明吸附为非均相多层吸附。热力学结果表明该吸附为吸热的自发反应。Ti-Si-BC对QNC吸附的机理主要包括孔隙填充、静电和氢键等作用，其吸附效果较BC明显提高，具有良好的应用潜力。     

添加生物炭对海南燥红壤N2O和CO2排放的影响

为探讨海南燥红壤N_2O和CO_2排放对生物炭添加的响应,通过室内培养试验分析生物炭加入后对土壤化学性质、NH_4~+-N和NO_3~--N含量以及N_2O和CO_2排放通量及累积排放量的影响。试验设置CK(不施生物炭)、B1(2%生物炭)、B2(4%生物炭)、B3(6%生物炭)4个处理。结果表明:添加生物炭后,土壤有机质、全氮和速效钾含量显著提高,较CK增幅分别为67.4%～246.6%、38.6%～90.9%和696.0%～1 764.7%。相比于CK,不同量生物炭添加后均导致了NH_4~+-N和NO_3~--N含量降低,总体上,不同处理NH_4~+-N浓度表现为CKB3B2B1,NO_3~--N含量表现为CKB1B2B3;随培养时间增加,各处理NH_4~+-N浓度呈下降趋势,NO_3~--N含量呈上升趋势。生物炭施用延后了N_2O排放通量出现峰值的时间。各处理之间N_2O和CO_2排放通量的变化过程大致表现出一致的趋势,即随培养时间延长,N_2O排放通量先升高后降低,CO_2排放通量先升高后趋于稳定。和CK相比,生物炭添加不同程度地促进了N_2O和CO_2排放,B1、B2和B3处理下N_2O累积排放量分别增加了399.2%、494.2%和194.5%,CO_2排放总量分别增加了87.6%、153.3%和147.6%。本研究结果显示,生物炭施用短期内促进了土壤N_2O和CO_2的排放通量。     

不同生物质炭对酸化茶园土壤N2O和CO2排放的影响

为了研究不同生物质炭对酸化茶园土壤温室气体排放的影响,采用原料为小麦秸秆、柳树枝、椰壳3种生物质炭,通过室内培养试验来探究不同生物质炭对茶园土壤性质及N_2O、CO_2排放特征的影响。试验中生物质炭添加量为20 g·kg~(-1),同时设置了施氮肥处理,采用尿素作为外加氮源,施氮量为100 mg·kg~(-1)。结果表明,施加生物质炭提高了酸化茶园土壤pH值,柳树枝生物质炭处理土壤pH值最高为6.71,显著高于其他处理。不同生物质炭对土壤DOC含量的影响效果存在差异,柳树枝生物质炭使土壤DOC平均含量增加了95.6%,椰壳生物质炭使土壤DOC含量降低36.1%,小麦秸秆生物质炭则影响不显著。生物质炭通过抑制土壤硝化和反硝化作用降低土壤N_2O的排放,椰壳生物质炭降低N_2O排放比例达91.7%,减排效果最显著。在施氮条件下柳树枝生物质炭对土壤N_2O的减排效果显著低于小麦秸秆和椰壳生物质炭。土壤CO_2的排放通量与pH值、DOC含量均呈极显著正相关,生物质炭促进了土壤CO_2的排放,柳树枝生物质炭处理CO_2的排放显著高于其他处理。此外,外加氮源降低了土壤pH值,增加了土壤N_2O的排放,但是对土壤DOC含量变化无显著影响。     

氚水乳化测定方法研究

比较了几种种氚的液闪测定方法，系统地分析了乳化法，结果表明：乳化法具有低的本底、淬灭及化学发光；计数效率高且稳定；制样简单、价格便宜、适应性广，可作常规分析。