菠萝渣基生物质炭对毒死蜱在植蕉土壤中环境行为的影响及其数值模拟研究

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本研究以菠萝渣在不同温度(350、500和650 ℃)下热解制备3种不同结构特征的生物质炭,并通过批平衡吸附实验方法研究不同的生物质炭和不同生物质炭添加比例的植蕉土壤对毒死蜱的吸附去除效果,得到毒死蜱在土壤和土壤-生物质炭中的吸附参数。此外,通过培养实验测得毒死蜱在土壤和土壤-生物质炭中的降解过程,获得降解常数等。最后通过淋溶实验获得毒死蜱在一维土柱中的淋溶过程,并将前期求得的吸附、降解、淋溶参数代入Hydrus-1D模型中,模拟和预测实际土层中毒死蜱的吸附迁移过程。本研究旨在为掌握生物质炭去除土壤中的毒死蜱变化特征,为污染物的切实治理提供数据参考和指导。本文主要得到以下相关结论:(1)利用菠萝皮渣热解制备生物质炭的过程中,随着温度的提高,生物质炭的产率逐渐降低,灰分含量有所增加,微孔表面积、比表面积、总孔体积、微孔孔容和微孔率均随温度上升而增大,对污染物拥有更多的吸附位点和更好的去除效果。(2)毒死蜱在生物质炭上的吸附过程是一个先快速后缓慢最后平衡的过程,伪二级动力学能很好的描述吸附过程;Freundlich模型和Langmuir模型均能很好的描述毒死蜱在生物质炭上的吸附过程;吸附过程是自发放热进行的,且外界温度的提高会提高其吸附量;毒死蜱在生物质炭上的吸附机制主要包括孔隙填充、疏水作用、π-π电子交互以及离子交换等作用。(3)毒死蜱在生物质炭-土壤体系上的吸附过程与其在纯炭中的表现类似,均表现为先为快速吸附、然后缓慢吸附最后达到吸附平衡三个阶段;在同一个生物质炭添加比例下的土壤中,菠萝渣制备温度越高,吸附量越高;增大添加的生物质炭的量能明显的提高土壤对毒死蜱的吸附能力,表现为3%>1%>0.3%>0%,且吸附等温线较纯土(CK)曲线非线性程度大;Freundlich模型、Langmuir模型和Temkin模型均能较好的描述毒死蜱在生物质炭-土壤体系上的吸附过程;随着生物质炭的添加量的增加和外界温度的提高,其吸附量也增加,且吸附反应均为自发放热熵增大的过程,有利于吸附反应的进行。(4)毒死蜱在植蕉土壤中的半衰期为50.59天。生物质炭的施入可影响毒死蜱在土壤中的降解,且生物质炭输入量越大,作用越显著。高温制备的生物质炭对毒死蜱的吸附能力更加强烈,一定程度上抑制了毒死蜱的降解过程。(5)毒死蜱在植蕉土壤和添加生物质炭土壤中的出流动态结果表明,毒死蜱在土柱中的穿透曲线存在一定的不对称和拖尾等特征,添加生物质炭能大大降低毒死蜱在土柱中的迁移性。应用Hydrus-1D软件分别对C1离子和毒死蜱在植蕉土壤和添加生物质炭的一维土柱中的穿透曲线进行结果拟合,结果表明局部平衡模型(LEA)模型拟合度较高,在本实验条件下吸附效应对出流动态影响较大。
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