生物质炭对土壤吸附Zn2+-DEP复合污染溶液中Zn2+的影响

为研究施用生物质炭后土壤对重金属-邻苯二甲酸酯（PAEs）复合污染物的吸附效果,选取猪炭和法国梧桐Platanus orientalis炭,采用批量吸附试验,并初步探究其动力学和热力学吸附机理。结果表明:猪炭（PB）和法国梧桐炭（POB）均可促进土壤对重金属-PAEs复合污染溶液中锌离子（Zn2+）的吸附,且随生物质炭施加量的增加更加明显,其中相较不加生物质炭的处理,施加质量分数为2% PB可使饱和吸附量提高31.61%,是施加质量分数为2% POB的5.90倍。动力学吸附行为可采用准二级动力模型较好描述,主要吸附过程包括液膜扩散和颗粒内扩散。热力学吸附过程为自发的吸热反应,并以氢键作用力为主。此外,DEP为典型的PAEs,其添加可促进土壤对溶液中Zn2+的吸附。     

2种生物炭对复合污染土壤中重金属形态的影响

采用五步连续提取法研究了2种生物炭对复合污染土壤中Cu、Pb、Zn和Cd的化学提取态的影响。结果表明,施加2种生物炭后,土壤中4种重金属生物有效态的含量均下降。对照处理中4种重金属主要以残渣态的形式存在,其中Zn、Pb、Cd和Cu所占的比例分别为79.0%、77.5%、75.0%和63.0%。施加猪粪生物炭后,Zn、Pb和Cd水溶态与交换态占总含量的比例下降,Pb、Cu和Cd的残渣态所占比例增加。施加稻壳生物炭后,Pb和Cd的残渣态所占比例增加,碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、水溶态与交换态比例均下降;Zn和Cu的碳酸盐结合态比例下降,残渣态比例增加。添加猪粪生物炭和稻壳生物炭后Pb、Cu的残渣态比例分别增加了8.4%、5.8%和7.9%、9.5%;表明添加2种生物炭可以降低Pb、Cu的有效性,但比例相差不大。     

酸化猪炭对土壤中不同形态磷质量分数及相互转化的影响

通过培养试验,采用修正的Hedley磷形态分级方法,以不添加任何肥料处理为空白对照,以施加未经处理的猪炭、过磷酸钙和钙镁磷肥处理为对比,研究酸化猪炭对土壤中各形态磷质量分数及其相互转化的影响。结果表明:与对照相比,施用猪炭和酸化猪炭可使土壤电导率分别提高24%和14%,而对土壤pH值无显著影响。在施加量相同的情况下,酸化猪炭提高土壤活性磷和中稳活性磷占全磷百分比的效果优于猪炭处理;且与施磷量相同的过磷酸钙和钙镁磷肥处理无显著差异。与空白对照相比,施用酸化猪炭、猪炭和2种磷肥均可以显著（P < 0.05）提高活性磷的质量分数,且各处理之间对于活性磷质量分数的提高无显著差异;中稳活性磷占总磷的百分比提高36.2%~77.2%,其提高程度为:酸化猪炭>过磷酸钙>钙镁磷肥>猪炭;非活性磷占总磷的百分比显著（P < 0.05）下降,与活性磷和中稳活性磷所占比例均呈极显著（P < 0.01）负相关。施用酸化猪炭可以提高土壤中各形态磷的质量分数,同时把土壤中非活性磷的比例维持在较低水平。施用酸化猪炭对土壤中各形态磷质量分数及转化影响的效果与2种化学磷肥无显著差异。在农业生产中,经酸化处理的猪炭来替代过磷酸钙和钙镁磷肥具有潜在的可行性。     

生物炭对土壤重金属污染修复研究

土壤污染是我国当前面临的一项严峻的土地利用、粮食安全和生态环境问题,重金属污染由于其稳定性强、不易迁移、难以降解以及含有毒性成分等特点,严重危害土壤系统和生态系统。生物炭由于其自身比表面积、孔隙率较大以及官能团丰富等特点,对土壤重金属污染修复具有显著的效果。研究了生物炭对土壤重金属修复机理,综述了不同生物炭及改性生物炭复合材料对土壤重金属修复和改良情况,并结合实际,提出了加强针对多种重金属污染的生物炭修复技术研究和加强修复土壤重金属污染之后的土地利用研究等展望及建议。     

施用生物炭对土壤和作物的影响

生物炭是将农作物秸秆、木屑等含碳量丰富的生物质材料在无氧或限氧的条件下热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料,其农业利用的发展前景广阔.原料种类、生产过程中的温度以及添加物料对生物炭的性质都有较大的影响.土壤中施用生物炭可以改变土壤的基本性质、土壤养分和离子的赋存特征、土壤微生物和酶活性.生物炭施用量影响其作用效果.施用生物炭能够明显改变作物根系和植株的系统发育,影响产量和品质构成.要进一步强化生物炭与土壤的氮、磷等营养物质的互作效应、生物炭性质特征与保护地土壤质量改善、生物炭对作物生理生化和产量品质的影响以及“生物炭-土壤-作物”连续体等方面的研究.     

生物炭修复重金属污染土壤的研究进展

生物炭稳定材料有巨大修复潜力,由于其稳定性强、修复效率高、绿色环保等特点成为当前土壤重金属修复的一大研究热点。参阅国内外关于生物炭修复土壤各类重金属污染的文章,从生物炭的结构和基本特性、生物炭吸附重金属的机理、生物炭吸附重金属的影响因素、生物炭对重金属生物有效性的影响这4个方面进行阐述,并对生物炭在土壤重金属污染中的修复潜力与未来的研究方向进行了相关的展望。     

生物炭和猪粪肥对铜污染土壤中蕹菜生长及铜形态的影响

采用盆栽试验研究了5%质量的生物炭、5%猪粪肥单独或联合施用于外源Cu污染(0、200、400 mg·kg~(-1))土壤,对蕹菜生长和5种形态Cu含量(Tessier提取法)的影响。结果表明:在养分含量不高的Cu污染红壤中,施用猪粪肥能够显著提高蕹菜生物量(平均比CK提高56.4%),并促进蕹菜对Cu的吸收和累积;施用生物炭能降低蕹菜含铜量(平均比CK降低21.1%);单施猪粪肥或联合施用(5%猪粪肥+5%生物炭)的蕹菜含铜量比对照(CK)分别增加了40.2%、31.7%(200 mg·kg~(-1))和27.5%、38.8%(400 mg·kg~(-1));未添加外源Cu污染时,土壤中铜的有机结合态铁锰氧化态碳酸盐结合态可交换态;各形态Cu含量随处理不同差异显著,其中单施猪粪肥的土壤中可交换态和有机物结合态Cu、单施生物炭的土壤中有机物结合态Cu、二者混施的土壤中碳酸盐结合态和有机物结合态Cu与其他形态Cu含量相比均有明显增长的趋势。联合施用猪粪肥及生物炭处理的蕹菜生物量虽比单施猪粪肥的蕹菜生物量略有降低,但与单施猪粪肥相比,钝化土壤重金属的作用明显。     

生物质炭对湘南矿区轻度Pb污染土壤性质及Pb的累积转运影响

为探讨生物质炭对湘南矿区附近轻度Pb污染土壤的改良效果,通过盆栽试验,研究不同施炭条件(0、0.5%、1.0%、2.0%)对水稻土壤性质及Pb在水稻中的累积转运影响。结果表明:施用玉米秸秆炭能使土壤pH值提高0.50~0.67个单位,有机质增加6.9%~25.1%,CEC升高24.7%~41.3%,土壤Pb的毒性浸出量降低4.4%~25.9%,且Pb的毒性浸出量与有机质、CEC分别呈极显著和显著性负相关;在相同施炭条件下,上述各指标在水稻生长的幼苗期和成熟期时存在差异,土壤pH值和有机质幼苗期高于成熟期,CEC和Pb的毒性浸出量幼苗期低于成熟期。水稻各部位中,根表铁膜对Pb的累积量最多,谷壳对Pb的转运能力最大,施用玉米秸秆炭能增加水稻根表铁膜及谷壳富集Pb的能力,降低水稻根系、茎叶及糙米中Pb含量,当施炭量≥1%时,糙米中Pb含量低于0.2 mg·kg~(-1),达到国家食品污染物限量标准。研究表明,生物质炭能够有效改良湘南矿区轻度Pb污染土壤,显著降低糙米中Pb的累积。     

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     

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℃。     

生物炭/凹凸棒石复合材料对铅镉的吸附

为探讨生物炭/凹凸棒石复合材料对废水中重金属的吸附效果与作用机理,以水稻、小麦秸秆与凹凸棒石为原料,在缺氧条件下热解制备生物炭/凹凸棒石复合材料。通过批量吸附实验研究时间、浓度及pH等因素对复合材料吸附溶液中Cd²⁺和Pb²⁺的影响,利用SEM、BET、XRD、FTIR等方法对吸附前后的复合材料进行表征分析,从定性和定量的角度分析其作用机理,明确主导吸附机制。结果表明：准二级动力学和Langmuir等温模型更符合复合材料对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附过程。与原始生物炭和凹凸棒石相比,水稻秸秆与凹凸棒石比例为5∶1时制备的复合材料RABC5-1和小麦秸秆与凹凸棒石比例为3∶1时制备的复合材料WABC3-1具有更好的吸附效果,对Cd²⁺的最大吸附量分别为132.97 mg·g^-1与132.39 mg·g^-1,对Pb²⁺的最大吸附量分别为222.60mg·g^-1与220.55 mg·g^-1。机理分析表明,复合材料对Cd²⁺和Pb²⁺的吸附机理主要包括沉淀作用、官能团络合作用、离子交换作用和阳离子-π作用。定量分析进一步证明,沉淀作用在RABC5-1、WABC3-1吸附Cd²⁺的过程中所占比例分别为84.6%、77.3%,在吸附Pb²⁺的过程中所占比例分别为82.0%、78.3%,是复合材料吸附重金属的主要机理,其次为阳离子交换作用,官能团络合作用和阳离子-π作用对吸附的整体贡献率较小。研究表明,复合材料RABC5-1与WABC3-1具有良好的吸附Cd²⁺和Pb²⁺的性能,是一种极具潜力的吸附材料,且沉淀作用是复合材料吸附重金属的主导机制。     

猕猴桃木生物质炭对溶液中Cd2+、Pb2+的吸附及应用研究

为探讨生物质炭对废水中重金属的吸附性能,以猕猴桃修剪枝为原料制备生物质炭,通过静态吸附法研究了其对复合溶液中Cd²⁺、Pb²⁺的吸附,探究了溶液初始浓度、吸附时间、pH值及生物质炭投加量对溶液中Cd²⁺、Pb²⁺吸附效果的影响,同时采用扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）对吸附前后的生物质炭结构进行了表征,并讨论了其对养殖废水和垃圾渗滤液中Cd²⁺和Pb²⁺的吸附能力。结果表明：猕猴桃木生物质炭具有多孔结构和多种表面官能团。Cd²⁺、Pb²⁺的最优吸附条件是pH为4~6,120 min吸附达到平衡,最佳投加量分别为4.0、3.0 g·L^-1,最大吸附量分别为9.35、65.9 mg·g^-1。生物质炭对Cd²⁺、Pb²⁺的吸附过程用准二级动力学方程能较好地描述;在25℃条件下,生物质炭对Cd²⁺的吸附用Langmuir方程能更好地描述,其理论最大吸附量达13.1 mg·g^-1,而生物质炭对Pb²⁺的吸附过程用Freundlich方程能更好地描述。猕猴桃木生物质炭可作为处理轻度重金属复合污染废水的吸附剂。     

纳米Fe3O4负载酸改性炭对水体中Pb2+、Cd2+的吸附

为探讨纳米Fe₃O₄负载联合硝酸改性椰壳炭对Pb²⁺、Cd²⁺单一及复合溶液的吸附特性,通过静态吸附实验,针对吸附剂的表面特性、投加量、溶液初始pH、吸附时间、重金属初始浓度等影响因素进行了探讨,应用等温吸附模型及吸附动力学模型对吸附特性进行了研究。结果表明,纳米Fe₃O₄负载酸改性炭比表面积较未改性椰壳炭增加了221.03 m²·g^-1,表面含氧官能团如O-H、C=O、C-O-C增加,芳香性增强,等电点提高至5.68。从经济效率角度考虑5 g·L^-1为合理吸附剂用量,pH为5.0时,吸附效果最好,吸附在4 h达到平衡。准二级动力学模型对吸附的拟合度更高,吸附主要是化学吸附,吸附由快速外扩散和颗粒内扩散共同作用,Pb²⁺、Cd²⁺的吸附分别更符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型。纳米Fe₃O₄负载酸改性椰壳炭对Pb²⁺、Cd²⁺的最大吸附量（Q_m）分别达42.54 mg·g^-1和25.79 mg·g^-1,为未改性椰壳炭的1.87倍和2.23倍,复合溶液中Pb²⁺、Cd²⁺的Q_m分别为单一溶液的65.16%和54.21%,这揭示了离子共存条件下的吸附竞争现象。研究表明,纳米Fe₃O₄负载联合硝酸改性提高了椰壳炭对Pb²⁺、Cd²⁺的吸附能力,且Pb²⁺的吸附性能及吸附竞争性优于Cd²⁺。     

皂角苷对红壤和黄褐土中Pb2+、Zn2+的解吸特征

以Pb~(2+)、Zn~(2+)污染的红壤和黄褐土为材料,以皂角苷为解吸剂,研究不同皂角苷浓度(0~20 g·L-1)、p H(3~7)、解吸次数(1~3次)下土壤中重金属的解吸效果。结果表明,随着皂角苷浓度升高,其从土壤中解吸Pb~(2+)和Zn~(2+)的量增大;皂角苷溶液p H越高,对Pb~(2+)和Zn~(2+)的解吸率越低。皂角苷对土壤中Zn~(2+)的解吸率明显高于Pb~(2+),红壤中Zn~(2+)的解吸率最高可达47%,而黄褐土中Zn~(2+)的解析率则为30%。单次解吸,红壤中含量降低最大的是酸溶态的Pb~(2+)和Zn~(2+),分别为38%和34%;可氧化态Zn~(2+)的含量下降较少,约为14%,但下降程度仍高于黄褐土。黄褐土中可还原态Pb~(2+)的含量减少最多,达26%,且各形态的解吸量均显著低于红壤。皂角苷对供试红壤中Pb~(2+)、Zn~(2+)的解吸效果好于黄褐土,可能是红壤与黄褐土的矿物组成和表面电荷性质不同所致。加入皂角苷后,红壤的Zeta电位下降,黄褐土的升高,两种土壤的Zeta电位均向零趋近。     

蓖麻秸秆对铅、汞、镍和镉的吸附特征

以蓖麻秸秆粉末为吸附剂,采用批量平衡法,研究固液比、pH、重金属离子初始质量浓度对蓖麻秸秆粉末吸附Pb,Hg,Cd和Ni离子的影响,探讨蓖麻秸秆粉末对4种重金属离子的等温吸附和吸附动力学特征。结果表明:Langmuir、Freundlich和Temkin模型能更好地描述蓖麻秸秆粉末对Pb的吸附,Langmuir和Temkin模型能更好地描述蓖麻秸秆粉末对Hg和Cd的吸附,Langmuir模型能更好地描述蓖麻秸秆粉末对Ni的吸附;蓖麻秸秆粉末对4种重金属离子的最大吸附量分别是209.60、129.41、62.78和25.86mg/g;准一级动力学、准二级动力学和叶洛维奇方程能很好地描述蓖麻秸秆粉末对Pb,Hg,Cd和Ni离子的吸附过程。蓖麻秸秆粉末可用于处理多种重金属离子污染的废水。     

蒙脱土-稻壳炭复合材料对Pb(Ⅱ)吸附特性研究

采用静态吸附实验,研究蒙脱土-稻壳炭复合材料对Pb~(2+)的吸附动力学和热力学特性,并考察吸附剂用量、共存离子及pH等因素对该复合材料吸附Pb~(2+)的影响。结果表明,复合材料对Pb~(2+)的吸附特性符合准二级动力学模型,等温吸附过程能较好地以Freundlich模型进行拟合,且是以物理吸附为主的自发的吸热反应。复合材料对Pb~(2+)的吸附量随吸附时间的延长先快速增加,后缓慢增加最终达到吸附平衡,且随着复合材料投加量的增加,Pb~(2+)的去除率增大。复合材料对水溶液中Pb~(2+)的吸附性能在pH为5时较好,吸附量达52.79 mg·g~(-1);不同浓度Ca~(2+)、Mg~(2+)均会对Pb~(2+)的吸附反应产生抑制作用,且Mg~(2+)的抑制作用更强。     

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。     

改性棕榈树纤维生物质炭的制备及其对溶液中Pb2+的吸附性能分析

为提高生物质炭对重金属的吸附性能,以棕榈树纤维为原材料制备了棕榈树纤维生物质炭(NPB)、KOH活化正交优化生物质炭(PB)及负载改性纳米二氧化硅生物质炭(PBS)。分别采用红外光谱、扫描电镜等对制备的生物质炭进行表征,比较了其碘吸附值大小及对水中Pb~(2+)的吸附效果,并分析了吸附动力学和等温吸附特性。结果表明:PB、PBS较NPB增加了表面吸附位点,比表面积、总孔体积及最大吸附容量显著增加,PB吸附Pb~(2+)的过程符合准二级动力学模型,PBS吸附Pb~(2+)的过程符合准一级动力学模型,PB、PBS对Pb~(2+)的最大吸附容量分别为110.89、151.63 mg·g~(-1);通过比较Langmuir和Freundlich模型拟合方程相关参数可知,PB、PBS对Pb~(2+)的吸附过程为匀质、单双层同时进行,更加符合Langmuir方程。研究表明,PBS对Pb~(2+)的吸附性能最好(较PB吸附性能提升了1.37倍),负载改性效果显著,具有良好的应用潜力。     

高低硅秸秆生物炭的表征及对Cd2+的吸附特性与机理

采用野生型水稻(WT,高硅)和硅缺失突变体水稻(lsi1,低硅)秸秆为原材料制备成300、500、700℃3种温度生物炭,探究高低硅秸秆生物炭对Cd²⁺的吸附特性及作用机制。野生型和突变型水稻秸秆原料总硅含量分别为17.88%和7.42%,制备出的高硅生物炭相对于低硅生物炭具有较高的硅含量、较大的比表面积和孔径。通过元素分析、电镜能谱扫描分析(SEM-EDS)、傅里叶红外光谱分析(FTIR)以及比表面积分析(BET-N₂)等对两种生物炭进行分析,结果表明随温度上升两类生物炭均表现出产率下降、pH增大、比表面积上升,高低硅生物炭均能在471、788、1 090 cm^-1波峰处观察到Si-O-Si键。吸附实验表明,高低硅生物炭均在pH为6、固液比为1 g·L^-1时对水溶液中Cd²⁺吸附效果最佳。吸附动力学模型结果表明,高低硅生物炭的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型(R²>0.9),说明该过程以化学吸附为主。通过Langmuir和Freundlich模...