生物炭负载类水滑石复合材料对铜和砷污染水体及土壤的修复研究

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近年来随着城市工业化进程的加速,越来越多的重金属变得活泼且被引入到环境中带来一系列问题。其中以重金属废水排放引起的环境问题为首,带来了一系列的空气和土壤重金属污染事件。砷和铜是两种常见的且对人体有严重危害作用的两种重金属元素。由于这两种重金属离子化学行为相反,因此制备出能够同时修复铜和砷离子重金属污染的材料成为环境修复研究的关注点。本研究通过共沉淀方法合成了能够对铜砷两种元素进行有效吸附的生物炭负载类水滑石复合材料(LB),探究了LB作为吸附剂分别去除水体中铜和砷的吸附性能和机制,同时测定并评估了LB施用于重金属污染土壤后对土壤理化性质、酶活、重金属有效态以及重金属分布、种子萌芽状况以及土壤微生物群落结构变化的影响。研究主要结论如下:(1)通过共沉淀法制备了生物炭负载类水滑石复合材料(LB)并探究了其对水体中Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)吸附特性。XRD、FT-IR、BET、SEM等表征结果显示类水滑石结构已成功负载于生物炭表面,且LB的比表面积达到了287.27 m~2 g-1。吸附实验结果表明LB对Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的最大吸附容量分别达到91.53 mg g-1和17.25 mg g-1;在广泛p H范围内,LB对Cu(II)和As(V)的去除效果均表现优异;LB对Cu(II)和As(V)的去除效果会受到有机质、Al3+以及PO43-的影响;共存体系中LB能同时去除As(V)与Cu(II)。(2)通过XRD、FT-IR、XPS、Zeta电位表征手段分析了LB对Cu(Ⅱ)和As(Ⅴ)的吸附机理。结果表明Cu(II)离子可能与LB上的Mg2+发生同构取代作用;可能与类水滑石结构的层间阴离子(如CO32-和OH-)以及生物炭表面的羟基官能团发生沉淀作用;水体p H大于p Hpzc时与带负电荷的LB表面发生静电吸附反应。As(V)的吸附反应机理主要为LB复合材料表面的金属氧键以及含氧官能团与As(V)发生络合反应和层间阴离子与As(V)发生离子交换作用。(3)进一步探究了LB对Cu(II)和As(V)污染土壤的理化性质以及重金属含量变化的影响。结果表明LB施用后土壤中p H、电导率均有所升高;脲酶和蔗糖酶酶活分别增加了93.78%-374.35%和84.35%-520.04%,并均于1%投加量时达到峰值。培养结束后LB处理组中有效铜含量降低幅度为35.54%-63.00%,而有效态砷含量显著降低了8.39%-29.04%;投加LB后土壤中酸溶态铜的成分向其余态发生转化,而易溶态砷和铝结合态砷则更多向闭蓄型砷发生转化。LB同时修复铜和砷污染的土壤主要是通过提高土壤的p H值(仅对铜)以及金属氧化物对砷的络合作用完成的。(4)通过种子萌芽实验及高通量测序手段探究了LB钝化对植物生长和土壤微生物群落的影响。各种子生长指标结果说明LB在1%的投加量下更有利于植物生长。微生物群落结构的结果表明LB施加显著提高了微生物群落的丰富度,然而当投加量为2%时,微生物群落结构丰富度和多样性受到抑制。从门水平上看LB的投加使Proteobacteria和Actinobacteriota的相对丰度提高;从属水平上看LB05和LB1处理组中优势菌属为MM2;而在LB2处理组中优势菌属为Methylophaga。
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