生物炭对铅和磺胺二甲嘧啶的吸附及其复合污染土壤的修复

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随着有机肥在农田上的施用,土壤抗生素污染问题逐渐凸显,且有机物-重金属复合污染是普遍的存在形式。由于生物炭原材料来源广泛、廉价易得、无二次污染,且具有固碳作用、土壤改良作用等潜在的优势,因此,相对于其他修复方式而言,生物炭更具有应用前景。目前,尽管生物炭已经有针对各种重金属及有机污染物的研究,但对于重金属-有机物复合污染的研究还不多。选取油菜秸秆和蚕砂两种生物质材料作为原材料,在限氧条件制备不同温度(300-700℃)的生物炭,并分别通过元素分析、比表面、热重、红外光谱、X-射线衍射等表征手段对其物理化学性质进行分析。选取铅及磺胺二甲嘧啶(SMT)为两种目标污染物,进行动力学及等温吸附实验,及pH及铅对磺胺二甲嘧啶吸附的影响实验。此外,选取红壤和棕壤两种土壤,并对其进行铅和磺胺二甲嘧啶外源复合污染,添加不同含量的生物炭进行修复,并通过BCR和TCLP两种方法对其修复效果进行评价。结果如下:(1)随着热解温度的升高,生物炭的产率降低,pH值、比表面增大,C含量及灰分含量增加。H、O、N元素含量以及H/C、O/C的比值随温度升高而减小,而C/N的比值增大。生物炭逐渐由无序向有序态进行转化,其疏松的烷烃结构转变为致密的芳香结构;羟基-OH、C=O、-COOH等有机基团渐减弱甚至消失,而灰分含量逐渐增加。不同温度下,热解制备的生物炭具有一定的pH缓冲能力。(2)不同生物炭对SMT的最大吸附量顺序为:RW400>RW300>RW600>R500>R700,EW300>EW400>EW600>EW700>E500,其表面有机官能团和生物炭的比表面在吸附中占有重要作用,而由二级动力学模型可以很好地对其动力学进行拟合(其中R2>0.99)表明,SMT在生物炭上发生了化学吸附,其表面的有机官能团和灰分组成都可能与其吸附机制有关;不同生物炭对SMT的最大吸附量顺序为:RW600>RW400>RW500>RW300,EW600>EW500>EW300,灰分组成是其吸附的最主要的机制,如磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐。(3)在生物炭对SMT的吸附实验中,溶液的pH值可以影响生物炭表面的电荷以及SMT的存在形式,影响SMT在生物炭上的吸附。总体而言,不同生物炭的最大吸附量均发生在SMT的两个pKa值之间(pH=2.28-7.42),且pH值越接近5,吸附量越大。另外,Pb2+会占据生物炭表面的部分吸附位点,因此,Pb2+的存在也会影响SMT在生物炭表面的吸附。(4)在Pb2+和磺胺二甲嘧啶复合污染的土壤中生物炭可以有效的钝化污染物,降低污染物的环境风险。用生物炭处理可以有效的降低土壤中酸溶态金属Pb2+的含量,促进酸溶态Pb向其他形态转化,尤其可以使土壤中的残渣态Pb2+的含量增加,使得金属离子被钝化而固定下来。增加生物炭的用量和延长生物炭的处理时间同样能够强化钝化效果。对有机物SMT而言,土壤的性质对其TCLP提取态有重要的影响,pH越高,阳离子交换量CEC越大,TCLP提取态有机物就越高;而TCLP提取态重金属则随土壤pH降低而增加,随时间延长而降低。
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