铁基改性椰壳生物炭对砷镉稳定机理研究

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生物炭作为一种多孔富碳的重金属吸附材料,具有比表面积大、官能团丰富的特性。大量研究表明,生物炭通过改性可极大的提高对重金属的吸附与稳定能力,因此成为重金属污染修复方向的研究热点。目前,生物炭对砷镉复合污染土壤修复方面的研究应用较少,且吸附机制尚不明确。为了提高生物炭对砷(As)和镉(Cd)的吸附能力,本研究以农业废弃物椰壳为原料,在600℃高温厌氧条件下制得椰壳生物炭,利用硫酸及硫酸铁在300℃下制备铁基改性生物炭。通过水溶液吸附实验比较了椰壳生物炭(CSB)、硫酸改性生物炭(SCSB)以及铁基改性生物炭(SFCSB)对重金属As和Cd的吸附特性,同时结合Zeta电位、SEM-EDS、FTIR、XRD及XPS对吸附剂的表面结构及特性进行表征;然后以小白菜盆栽实验为手段,研究改性椰壳生物炭对砷镉复合污染土壤中砷镉的形态及植物对砷镉的吸收和生长的影响,探究生物炭在土壤中对砷镉的作用机理。为制备更高效,能深度净化污染的生物炭提供参考,也为吸附机制的探讨提供理论依据。主要研究结果如下:(1)通过SEM-EDS、FTIR、XRD及XPS分析结果表明,SFCSB比CSB的比表面积增大了1.56倍,表面氧元素含量增大,表面官能团新增亚甲基和羧基,XPS谱图观察到Fe2O3和Fe OOH峰。(2)生物炭对As、Cd的吸附过程符合Elovicn模型及Langmiur等温吸附模型,说明As、Cd在生物炭表面发生了非均相的化学吸附,该吸附过程是单分子层吸附。当溶液p H=5时,SFCSB对As的最大吸附量为14.65 mg·g-1,与CSB相比吸附量提高了238倍;SCSB对Cd的最大吸附量为2.56 mg·g-1,比CSB的吸附量有所增加,SFCSB对Cd的吸附能力低于CSB。(3)SFCSB对As既有物理吸附也有化学吸附,吸附机制为生物炭表面正电荷与含砷阴离子的静电吸引,O-H-As氢键结合作用,砷氧阴离子与铁氧化物之间的配位体效应和表面羟基官能团络合;硫酸改性的作用主要是增加了生物炭的比表面积,有利于物理吸附的发生,Cd以静电吸引作用吸附在生物炭表面。(4)小白菜土培盆栽实验结果表明,添加不同生物炭处理的小白菜生物量均大于对照组CK,其中当CSB+SCSB添加量为2.5%时,小白菜生物量最大,为CK的4.12倍。由土壤As形态含量的变化可知,添加SFCSB虽然导致土壤非专性吸附态砷和专性吸附态砷含量增加,但是由于铁氧化物与As形成了不易被植物吸收的铁形砷,因此对土壤As起到了钝化作用。而可交换态镉和碳酸盐结合态镉含量的增加,说明SFCSB对土壤Cd具有活化作用。当CSB+SCSB添加量为2.5%时,稳定形态砷含量高于对照组CK,证明该处理钝化了土壤中的As,使其向更稳定的形态转化。由于土壤p H较低,小白菜在生长过程中也会分泌小分子酸使土壤有效态镉含量增加,促进了不稳定形态的转化。
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