【摘 要】
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我国耕地土壤镉（Cd）污染形势严峻,耕地资源紧缺,使用高效钝化剂钝化、稳定化土壤镉是当前最为经济可行的镉污染耕地安全利用技术之一。同时,我国农业废弃物产量丰富,农业废弃物的资源化利用是我国生态文明建设的重要内容之一。本文以典型农业废弃物（畜禽粪便、作物秸秆）为原料,研发镉高效钝化生物炭材料,为农业废弃物资源化利用及镉污染土壤安全利用的技术体系构建提供材料和理论支撑。主要研究内容及结果如下:选用6种
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我国耕地土壤镉（Cd）污染形势严峻,耕地资源紧缺,使用高效钝化剂钝化、稳定化土壤镉是当前最为经济可行的镉污染耕地安全利用技术之一。同时,我国农业废弃物产量丰富,农业废弃物的资源化利用是我国生态文明建设的重要内容之一。本文以典型农业废弃物（畜禽粪便、作物秸秆）为原料,研发镉高效钝化生物炭材料,为农业废弃物资源化利用及镉污染土壤安全利用的技术体系构建提供材料和理论支撑。主要研究内容及结果如下:选用6种常见农业废弃物,鸡粪、猪粪、牛粪分别在300和700℃下制备生物炭,水稻秸秆、玉米秸秆和小麦秸秆分别以300和500℃下制备生物炭,分析不同原料及温度下制备的生物炭对Cd2+吸附效果与机制。农业废弃物基生物炭对溶液体系Cd2+的吸附热力学过程用Langmiur方程拟合效果更好,随着热解温度的升高,牛粪、鸡粪和猪粪基生物炭对镉离子的最大吸附量分别从83.40、19.65和96.74mg·g-1增加至106.54、268.89和164.53 mg·g-1,而不同热解温度下制备的秸秆基生物炭对镉离子的最大吸附量差异不显著。农业废弃物基生物炭呈碱性,除牛粪生物炭外,灰分含量随热解温度上升而增加。随着热解温度的上升,畜禽粪便基生物炭孔隙结构变丰富,含氧官能团增加,出现芳香结构。随着热解温度的升高,农业废弃物基生物炭对Cd2+的阳离子-π作用贡献率增大（从1%～13%增加到8%～30%）,但化学沉淀和离子交换贡献率依旧较高（达70%～93%）。选用吸附效果欠佳对Cd2+最大吸附量仅为19.65 mg·g-1,热解温度为300℃的鸡粪生物炭和原料易收集、热解温度为300℃的水稻秸秆生物炭制备改性生物炭,使用CS2和Na OH制备硫改性鸡粪生物炭（SCMB）和硫改性水稻秸秆生物炭（SRSB）;使用Ca Cl2和（NH4）2HPO4制备羟基磷灰石改性鸡粪生物炭（HCMB）、羟基磷灰石改性水稻秸秆生物炭（HRSB）;使用KMn O4和Fe Cl3·H2O制备铁锰氧化物改性鸡粪生物炭（FMCMB）和铁锰氧化物改性水稻秸秆生物炭（FMRSB）。扫描电镜能谱分析显示SCMB和SRSB成功负载硫,未改性鸡粪生物炭、未改性水稻秸秆生物炭对Cd2+最大吸附量为19.65和78.97 mg·g-1,SCMB和SRSB对Cd2+最大吸附量显著提升至188.20和130.60 mg·g-1,络合作用对其Cd2+吸附贡献率分别显著提升至22%和48%,HCMB和HRSB成功负载了羟基磷灰石（HAP）,两种改性生物炭对Cd2+的最大吸附量分别提升至111.53和112.70 mg·g-1,化学沉淀作用对HCMBCd2+吸附贡献率显著提升至82%,阳离子-π作用对HRSB贡献率显著提升至46%,FMCMB和FMRSB成功负载了铁锰氧化物,对镉离子的最大吸附量分别提升至109.94和100.88 mg·g-1,阳离子-π作用对FMCMB和FMRSB吸附Cd2+的贡献率显著提升至10%和13%。选用镉污染土壤,开展小青菜盆栽实验,验证生物炭镉钝化效果。结果表明,与未施加任何生物炭的对照组相比,施加SCMB使土壤p H值升高,施加HRSB使土壤p H值降低,施加未改性生物炭使小白菜生物量增加,施加改性生物炭使小白菜生物量减少。改性鸡粪生物炭对土壤镉具有钝化效果,施用5%SCMB效果最优,能显著降低土壤镉有效态含量（33.01%）和小白菜植株镉含量（20.78%）。除施加HCMB的处理外,施加改性鸡粪生物炭使土壤镉可交换态含量减少,碳酸盐结合态和有机结合态含量增加,施加FMRSB和FMCMB使土壤镉铁锰氧化物结合态含量上升。综上所述,本研究为改性农业废弃物基生物炭钝化镉污染土壤提供了有益的探索,为农业废弃物资源化利用提供了一条新的途径。
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