论文部分内容阅读
随着工业化进程的加快,水体和土壤中的Cd(Ⅱ)污染已经成为重要的环境问题。生物炭作为吸附剂修复含Cd(Ⅱ)废水及土壤,具有经济、高效和环保等特点。但是环境的变化例如温度、酸碱度和土壤微生物等因素都会导致生物炭发生老化现象,改变生物炭的结构和吸附性能。本研究以黑木耳菌糠为原料制备生物炭吸附剂,利用物理、化学和生物三种老化方法对生物炭进行老化处理,探究老化生物炭对水体中Cd(Ⅱ)的吸附效果以及对土壤中Cd形态的影响。通过静态分批吸附实验优化最佳吸附条件;利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、比表面积仪(BET)等多种手段对比生物炭老化前后表面形态、元素含量、官能团以及表面晶体等变化;采用动力学模型、热动力学模型和等温吸附模型对试验数据进行拟合分析;采用Tessier连续提取法和原子吸收光谱对土壤Cd(Ⅱ)形态变化进行分析,结合土壤理化性质分析,揭示生物炭老化作用对土壤中重金属稳定性的影响。本研究的主要结果如下:(1)生物炭吸附Cd(Ⅱ)的最佳条件为:p H 5.0、Cd(Ⅱ)初始浓度25 mg/L、吸附剂投加量1 g/L、吸附时间120 min、吸附温度30℃。在此条件下,原始生物炭(NB)、物理老化生物炭(FB)、化学老化生物炭(AB)和生物老化生物炭(MB)的吸附容量分别为23.48mg/g、22.70 mg/g、22.00 mg/g和24.20 mg/g。随着老化周期的增加,生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附容量增加,在生物炭老化15个周期后,FB、AB和MB的吸附容量分别为23.05 mg/g、23.02 mg/g和24.48 mg/g;NB对Cd(Ⅱ)的吸附过程更符合Langmuir模型,利用三种老化方法处理生物炭1个周期时,FB吸附Cd(Ⅱ)符合Langmuir模型,而AB、MB吸附Cd(Ⅱ)符合Freundlich模型,说明物理老化生物炭吸附Cd(Ⅱ)为单分子层吸附,而化学老化生物炭和生物老化生物炭吸附Cd(Ⅱ)为多分子层吸附。老化15个周期后,FB、MB吸附Cd(Ⅱ)符合Freundlich模型,而AB吸附Cd(Ⅱ)符合Langmuir模型;NB以及老化1个周期的生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附试验,可以更好地用伪二级动力学模型进行描述,初始阶段吸附速度较快,而后逐渐达到平衡状态,证明四种生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附都主要是以化学吸附为主。但是当老化15个周期时,FB对Cd(Ⅱ)的吸附更符合伪一级动力学模型,证明其对Cd(Ⅱ)的吸附过程中,物理吸附起了主要作用。通过对吸附热力学的研究,发现四种生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附的ΔG0都是负值,这说明吸附过程都是自发进行的。(2)老化前后生物炭的元素组成和含量分析发现,与NB相比,MB的C、H的含量下降,而O和N的含量上升,生物炭的亲水性和极性增强。FB和AB元素含量的变化与MB相反,O和N含量下降,而C和H含量上升,生物炭的亲水性降低;SEM观察结果显示老化方法处理对生物炭表面结构、空隙大小均有不同影响。生物炭经过物理、生物老化处理后,表面出现更多的不规则结构,但是在经过化学老化处理后,生物炭表面不规则结构变少。FTIR和XRD分析结果显示,生物炭经过物理、生物老化处理后,生物炭表面活性基团主要发生强度的变化;而生物炭经过化学老化处理后,生物炭表面的晶体结构的数量和种类都发生变化。BET结果显示生物炭经过物理、化学老化之后比表面积变小,相反,生物老化之后,生物炭的比表面积变大,但是,随着老化周期的增加,比表面积变化的趋势不明显;MB的酸性含氧官能团数量随着老化周期的增加而增加,而FB的酸性含氧官能团的数量随着老化周期的增加变化不明显。(3)土壤Cd形态分析显示,与对照相比,NB组、FB组和MB组均显著降低了可交换态Cd的含量,下降幅度分别为40.27%、46.08%-66.23%、47.25%-63.68%。此外,碳酸盐结合态的含量也降低;AB组提高了Cd的可交换态含量,提高幅度为44.71%-71.77%,即土壤中Cd有效态含量增加。添加不同老化生物炭使土壤的p H、阳离子交换量、有机质含量和电导率均发生变化。加入NB、FB和MB后,土壤的p H增加的,但是随着老化周期的增加,变化幅度不明显。加入AB后,土壤p H呈现下降的趋势;加入NB、FB和MB后,土壤的阳离子交换量含量也是增加的,随着老化周期的增加,变化幅度分别为6.06%、6.28%-11.19%和7.74%-11.46%。加入AB后,土壤阳离子交换量含量下降,下降约10.00%左右;加入NB、FB和MB后,土壤的有机质含量是增加的,随着老化周期的增加,变化幅度分别为17.46%、18.53%-21.86%和18.44%-25.65%。加入AB后,土壤有机质含量也增加,但是与其他三种生物炭相比,变化不明显;加入AB后,土壤的电导率变化最明显,随着老化周期的增加,变化幅度为4.28%-4.64%。