生物质炭及其老化对茶园土壤吸附固定镉的影响研究

来源 :曲阜师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kangzeng
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随着土壤重金属污染状况日益加剧,对重金属污染土壤的治理成为目前的研究热点。施用土壤改良剂,能够固化重金属元素、增加土壤肥力、促进作物生长,是当前农业污染土壤修复的一项重要措施。在众多土壤改良剂中,生物质炭因其具有丰富的含氧官能团,巨大的比表面积以及大量表面电荷等性质,近年来被广泛用于土壤重金属污染物吸附与固定修复作用的研究中。为了探究不同生物质炭对区域镉污染茶园土壤的修复效果,本文选用北方常见农业废弃物小麦秸秆和鸡粪便,在350℃和650℃下慢速热解制备生物质炭(分别标记为M350、M650和F350、F650),通过X-射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、元素分析等手段对生物质炭理化性质进行表征。通过批量平衡实验研究不同吸附时间、溶液pH值和Cd2+浓度下生物质炭对Cd2+的吸附特性,推断可能存在的吸附机制。通过批量平衡实验和土柱淋溶实验研究生物质炭及其老化对茶园土壤吸附Cd2+的影响,评价其修复效果,探讨其修复镉污染茶园土壤的可行性。主要得到以下结论:(1)随着热解温度升高,生物质炭的pH值和灰分含量升高,芳香性和疏水性增强,极性减弱。相同热解温度条件下,畜禽粪便来源的鸡粪炭的产率、灰分含量和pH值均高于植物残体来源的小麦秸秆炭,鸡粪炭具有更完备的芳香结构,小麦秸秆炭含氧官能团数量更多。四种生物质炭的含氧官能团种类基本相同,只是其所含官能团的丰富程度略有不同。随着热解温度的升高,生物质炭中脂肪族、羟基、酚羟基、羧基等官能团逐渐减少甚至消失,芳香族官能团逐渐增加。(2)生物质炭对Cd2+的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型(R2>0.99),吸附在12 h时达到平衡,吸附过程均由外部液膜扩散、表面吸附和颗粒内扩散共同控制,且后者是主要限速步骤。随着溶液pH值的升高(2.06.0),生物质炭对Cd2+的吸附量均逐渐增加。Langmuir模型能很好地描述Cd2+在植物残体来源的小麦秸秆炭上的吸附行为(R2,0.97030.9815),鸡粪炭则更适用Freundlich模型(R2,0.97170.9769)。相同热解温度条件下,畜禽粪便来源的鸡粪炭对Cd2+的吸附能力优于植物残体来源的小麦秸秆炭。(3)小麦秸秆炭和鸡粪炭对Cd2+的吸附是多种机制混合作用。阳离子-π作用和沉淀作用是高温度条件下(650℃)制备的生物质炭吸附Cd2+的主要机制,静电作用和沉淀作用可能是低温度条件(350℃)下制备的生物质炭吸附Cd2+的主要机制。(4)生物质炭施用不同程度地提高了茶园土壤对Cd2+的吸附能力,相较于不施生物质炭,小麦秸秆炭和鸡粪炭在0.1%、0.5%和1%的施用量下茶园土壤对Cd2+的吸附能力分别提高10%70%和17.5%95%。相较于施用新鲜生物质炭,施用老化后小麦秸秆炭和鸡粪炭的茶园土壤对Cd2+的吸附能力分别下降22%和14%。施用生物质炭提高了茶园土壤淋滤液的pH值。生物质炭施用不同程度地减少了茶园土壤Cd2+的淋失,相较于不施生物炭,施用小麦秸秆炭和鸡粪炭的茶园土壤Cd2+累积淋失量分别减少36.75%和86.81%。小麦秸秆炭和鸡粪炭能明显提高茶园土壤的缓冲性能和对重金属Cd2+的吸附固持能力,其中鸡粪炭的效果更为明显。
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