改性纳米黑碳应用于钝化修复重金属污染土壤中的问题探讨

通过有关文献资料调研,综述纳米黑碳在钝化修复污染土壤中的应用,分析其应用于钝化修复重金属污染土壤时尚待弄清的几个问题。结果表明:(1)由于纳米黑碳是疏水的非极性吸附剂,选择纳米黑碳作为土壤重金属钝化修复剂时,需对其进行氧化改性,以进一步提高其钝化能力。目前常用的氧化剂为氧化性无机酸、酸性高锰酸钾、双氧水、臭氧等,强烈的氧化过程,会破坏纳米黑碳微孔结构,一定程度上降低其吸附量。(2)为了明确其应用的可能性和适用范围,需揭示改性纳米黑碳对土壤中重金属的钝化机理及其影响因素。土壤CEC、pH、重金属离子的性质等可能是影响改性纳米黑碳对土壤中重金属吸附性能的主要因素。(3)充分利用改性纳米黑碳在土壤修复中的有益作用的同时,还需考虑其可能存在的生态环境负面效应,研究其在土壤中的径流迁移、渗漏等,明确其污染地表水和地下水的可能性,研究其生物效应和将吸附钝化后的纳米黑碳从土壤中移除的可能性,明确其潜在的生态环境风险。     

杭嘉湖平原典型水耕人为土的碳库构成与~(13)C稳定性同位素分布特征

采集杭嘉湖平原的黄斑田、青紫泥田和烂青紫泥田3种代表性水耕人为土分层土样,测定土壤有机碳、颗粒态有机碳和黑碳在土壤剖面中的分布,不同粒径团聚体与土壤颗粒中有机碳和黑碳的差异及13C稳定性同位素的剖面分异.结果表明:黄斑田土壤有机碳库低于青紫泥田和烂青紫泥田;颗粒态有机碳占土壤有机碳总量的10.6%～29.3%,并随剖面深度的增加而下降;黑碳占有机碳总量的4.2%～24.6%,在黄斑田和青紫泥田中随深度降低,而在烂青紫泥田中剖面上下差异不大;稳定性团聚体中有机碳和颗粒态有机碳含量随粒径增加而增加,而黑碳含量的高低与水稳定性团聚体颗粒大小无关;研究发现土壤中的黑碳颗粒较小,主要出现在粘粒"粒级中,随剖面深度增加黑碳颗粒趋向减小;同位素δ13C值:黑碳总有机碳颗粒态有机碳,随深度增加而增加.     

典型工业城市土壤黑碳含量、分布特征及来源分析——以黄石市为例

以黄石市3种不同类型土壤(红壤土、潮土、水稻土)为研究对象,采用热光反射法测定土壤中黑碳、焦炭和烟炱含量,研究有机碳、黑碳、焦炭和烟炱的空间分布特征,同时分析黑碳、焦炭、烟炱与有机碳之间的相互关系及黑碳的可能来源。结果表明:黄石市表层土壤中黑碳含量的变化范围为0.01~5.79 g/kg,平均值为1.06 g/kg。其中水稻土黑碳含量最高,潮土次之,红壤最低。黑碳在有机碳中所占比例的变化范围为0.53%~89.54%,平均值为25.29%,说明黑碳对土壤有机碳库有较大的贡献。不同土壤类型黑碳/总有机碳(BC/TOC)比值存在较大的差异,红壤BC/TOC平均值最大(36.70%),其次为水稻土(25.25%),潮土最低(18.25%),这可能与土壤质地有关。黑碳、焦炭与烟炱含量和BC/TOC比值的空间变异性与区域的产业结构及工业布局有关。黑碳、焦炭与烟炱含量之间呈显著正相关,说明它们可能有共同的来源。焦炭/烟炱比值(char/soot)分析结果表明土壤中的黑碳受人为源的影响很大,主要来源于化石燃料燃烧(工业燃煤及机动车尾气排放)。     

低分子量有机酸对黑碳吸附Pb Cd的影响

为探讨低分子量有机酸对黑碳吸附重金属离子的影响,由玉米秸秆燃烧物提取黑碳,用平衡吸附技术研究了有机酸对黑碳吸附铅(Pb2+)和镉(Cd2+)的影响。结果表明:柠檬酸和酒石酸在浓度低于10 mmol.L-1时能促进黑碳对Pb2+的吸附,且柠檬酸的促进作用强于酒石酸;草酸和水杨酸则抑制黑碳对Pb2+的吸附,草酸的抑制作用强于水杨酸;柠檬酸、酒石酸和草酸在浓度低于400 mmol.L-1时能促进黑碳对Cd2+的吸附,促进作用为柠檬酸>酒石酸>草酸;浓度低于4 mmol.L-1的水杨酸也能促进黑碳对Cd2+的吸附;当有机酸促进Pb2+和Cd2+吸附时,随有机酸浓度的提高,Pb2+和Cd2+的吸附量先升高后下降,且有机酸对黑碳吸附重金属离子的影响随有机酸和重金属离子的特性而异。     

黑碳对土壤中毒死蜱降解的影响

通过吸附试验及降解试验分别测定了农药毒死蜱在添加不同含量两种黑碳的土壤中的吸附特征和降解动态,以阐明黑碳对土壤中农药降解的影响作用规律。结果表明,添加黑碳土壤对农药毒死蜱的吸附随黑碳含量增加而逐渐增强,而毒死蜱的降解则逐渐减缓,高温下燃烧制备的黑碳（BC850）具有更大表面积和微孔性,对农药的吸附作用更大,延缓毒死蜱土壤降解作用也更明显。土壤中添加黑碳BC450含量为0.1%～1.0%时,毒死蜱降解半衰期为31.6～47.5d,分别为对照土壤的1.3～1.9倍;黑碳BC850添加浓度为0.1%～1.0%时,土壤中毒死蜱降解半衰期为31.5～71.5d,分别为对照土壤的1.3～2.9倍。说明土壤中含少量黑碳可增强对农药毒死蜱的吸附作用,进而降低毒死蜱的微生物可用性,延缓其土壤降解,这种影响作用程度与黑碳的含量和性质有关。     

稻草田间焚烧黑碳与生物质炭中的不稳定碳含量及组分特征

为探讨不同类型黑碳和生物质炭中的不稳定碳含量及组分特征,以稻草田间堆烧和散烧残留黑碳和实验室内250,350,450,550,650℃下制备的生物质炭为研究对象,分析了水提取碳、重铬酸钾氧化碳和微生物矿化碳3种形式的不稳定碳含量,并对水提取物的红外光谱特征进行研究。水提取碳是指黑碳和生物质炭样品加纯水振荡8h并过0.45μm滤膜后的溶解态总碳;重铬酸钾氧化碳是指样品在55℃下被0.1mol/L K2Cr2O7∶2mol/L H2SO4(1∶1,v∶v)溶液氧化60h所去除的有机碳;微生物矿化碳是指样品加接种液培养一定时间后的累积矿化量。结果表明,黑碳和生物质炭中均含有一定量的水提取碳(3.01~16.52mg/g)、重铬酸钾氧化碳(10.28~94.62mg/g)和矿化碳(1.76~4.08mg/g)。水提取碳和重铬酸钾氧化碳在低温制备生物质炭中的含量总体上大于高温制备生物质炭和田间焚烧残留黑碳中的含量。重铬酸钾氧化碳与另2种不稳定碳之间均存在显著的正相关关系。3种黑碳和生物质炭在81d培养期内的累积矿化量与水提取碳含量在同一数量级;黑碳和生物质炭水提取物成分受制备温度的影响,主要官能团有羟基、羰基、醛基和羧酸根等,没有发现难降解的芳香成分,表明水提取碳是易于被微生物利用的组分。研究认为,高温制备生物质炭中的不稳定碳含量较低,适于固碳减排方面的应用;而低温制备的生物质炭有相对较高的不稳定碳含量,可能更适于保肥增产方面的应用。     

改性纳米黑碳对棕壤有效态Cu、酶活性和微生物呼吸的影响

研究了添加改性纳米黑碳(MBC)对棕壤中有效态Cu、呼吸强度和酶活性影响。结果表明,添加MBC降低了棕壤p H和有效态Cu含量,且随着MBC施入量的增加,土壤有效态Cu含量逐渐降低;MBC的施入,提高了土壤脲酶活性,对过氧化氢酶活性有较弱的抑制作用,对土壤呼吸作用的影响是先增强后减弱,培养后期,呼吸强度与对照无显著性差异。相关性分析表明,过氧化氢酶活性与有效态Cu含量之间有极显著正相关关系,与黑碳施入量之间有极显著负相关关系,土壤有效态Cu含量与MBC施入量之间有极显著负相关关系,说明MBC对棕壤中Cu有较好的钝化效果,增加了土壤脲酶活性和土壤呼吸作用,在Cu污染土壤修复中具有一定的应用前景。     

施用玉米秸秆生物质炭对水稻土黑碳数量和结构特征的影响

通过研究玉米秸秆生物质炭施用对土壤黑碳(BC)数量和结构的影响规律,比较施用生物质炭后不同年限间的差异,为阐明土壤BC在土壤固碳上的作用提供理论依据。选择化学氧化修改法进行土壤BC的提取,采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机碳(SOC)含量,采用元素组成和红外光谱分析对土壤BC进行结构表征。研究结果表明:与对照(未施用玉米秸秆生物质炭)相比,施用玉米秸秆生物质炭后3年间各年土壤BC的含量分别增加177.0%、304.3%和434.2%,土壤BC占SOC的比例分别增加40.2%、143.5%和167.3%,说明玉米秸秆生物质炭有助于表层土壤BC长期稳定的积累,且随时间的延长而增加;与对照相比,施用玉米秸秆生物质炭后表层土壤BC的碳元素含量增加,缩合度和芳香性增加,氧化度和脂族性降低,且随玉米秸秆生物质炭施用年限的延长表现得更加明显。长期施用玉米秸秆生物质炭后使土壤BC的结构向着芳香性增加的方向发展,稳定性增强,因而对于土壤固碳是有利的。     

黑碳添加对土壤有机碳矿化的影响

通过室内培养试验,向土壤中分别添加不同温度制备的黑碳,热解温度分别为350℃(T350)、600℃(T600)和850℃(T850),研究了黑碳添加对土壤有机碳矿化的影响。结果表明,不同温度条件制备的黑碳在15℃和25℃培养条件下,土壤CO2释放速率总的趋势是前期分解速率快,后期缓慢。在整个培养过程中(112天),随着培养时间的延长,土壤CO2释放速率下降趋势逐渐降低,CO2释放速率相对值的大小随着培养温度的的升高而增大。在不同温度培养条件下,添加黑碳后土壤CO2-C累计量均是T350>T600>T850,T350土壤CO2-C累计量最高分别为415.26 mg/kg和733.82 mg/kg。添加不同黑碳后,土壤有机碳矿化增加率存在极显著差异(p<0.01),表明不同温度制备的黑碳对土壤有机碳矿化的影响显著。     

重度火烧对大兴安岭天然林土壤有机碳和黑碳的影响1）

以大兴安岭重度火烧迹地土壤为研究对象,通过对比研究,探讨重度火烧对大兴安岭天然林土壤有机碳和黑碳的影响。结果表明：对照样地和重度火烧迹地的土壤有机碳和黑碳质量分数都随土层深入而降低。与对照样地相比,重度火烧迹地0～5 cm土层土壤有机碳质量分数增加了41．56％,＞5～10 cm和＞10～20 cm土层有机碳质量分数变化不大。0～5 cm土层黑碳质量分数增加了21．37 g／kg （ p＜0．05）,＞5～10 cm和＞10～20 cm土层黑碳质量分数分别增加了1．25、1．15 g／kg,差异都未达显著水平。对照样地土壤黑碳与有机碳的比例在14．0％～18．1％,随土层深入表现出先升后降的趋势。重度火烧迹地土壤黑碳与有机碳的比例在17．3％～28．0％,随土层深入表现出逐渐下降的趋势。重度火烧迹地土壤黑碳在有机碳中的比例高于对照样地。2种林分土壤有机碳和黑碳的质量分数之间都呈极显著的线性关系（ p＜0．01）,黑碳在大兴安岭森林土壤有机碳的固定过程中起着重要的作用。