多种改性生物炭对镉、铜污染土壤的钝化修复研究

来源 :华北水利水电大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yizeswing
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随着我国工业化、城镇化的快速推进,我国农业现代化得以快速发展,但与之而来的农田土壤重金属污染和土壤质量的下降问题日趋严峻,探寻高效、经济和环境友好型的重金属钝化材料,已然成为农田土壤重金属固化稳定化的研究热点。本文以烟草秸秆作为生物炭制备原材料,并对其进行负载改性处理,对生物炭材料进行了表征分析,同时通过吸附试验研究了生物炭对Cd2+、Cu2+的吸附特性,结合土培实验,探究了生物炭对土壤理化性质、土壤重金属Cd、Cu的迁移转化以及植物盆栽生长等方面的影响。主要研究内容和结果如下。(1)以烟草秸秆作为生物炭原材料,并在400℃和600℃下裂解制备生物炭,采用聚乙烯亚胺(PEI)和纳米羟基磷灰石(nHAP)对烟草秸秆原始生物炭(BC400、BC600)进行负载改性,制成聚乙烯亚胺改性生物炭(PBC400、PBC600)和纳米羟基磷灰石改性生物炭(HBC400、HBC600),通过BET、SEM、FTIR和XRD手段表征分析得出,PEI和nHAP均成功负载到生物炭上,并且在孔隙结构、骨架结构和官能团数量、种类方面较BC而言具有一定优势。(2)通过批量吸附实验分析生物炭对Cd2+、Cu2+的吸附特性,400℃下热解制备的生物炭和相应改性生物炭表现出了更好的吸附效果,并选用BC400、PBC400和HBC400作为后续土壤钝化修复的实验材料。整体吸附实验表明,当溶液pH=5、PBC400和HBC400的投加量为0.02 g时,生物炭对Cd2+的吸附效果最好,当溶液pH=5、PBC400和HBC400的投加量为0.05 g时,生物炭对Cu2+的吸附效果最好;PBC400和HBC400对Cd2+、Cu2+的吸附均符合准二级动力学方程,说明其吸附过程均以化学吸附为主;PBC400和HBC400对Cd2+、Cu2+的吸附均符合Langmuir等温吸附模型,且PBC400对Cd2+、Cu2+的最大理论吸附量分别为29.31 mg·g-1、51.53 mg·g-1,HBC400则分别为22.04 mg·g-1、36.12 mg·g-1。(3)在土壤钝化实验中,与对照组CK相比,BC400、PBC400和HBC400组对土壤理化性质指标(pH、电导率、CEC、有效磷和速效钾)均有不同程度的提高,生物炭的添加使得土壤中有效态Cd、Cu含量均显著降低,并且显著增加了Cd、Cu在土壤中的残渣态和可氧化态含量和降低了弱酸可提取态含量。整体钝化修复效果表明PBC400-3%钝化效果最佳,使得有效态Cd、Cu含量较CK分别下降了54.36%和56.15%;使得土壤中弱酸可提取态Cd、Cu含量较CK分别下降了35.36%和46.05%,而残渣态Cd、Cu含量分别上升了184.67%和145.34%。(4)在植株盆栽实验中,BC400、PBC400和HBC400有效提高了土壤pH值和降低了重金属有效态Cd、Cu的含量,均在一定程度上提高了植株生长品质,促进了植株生长发育,并且显著降低了植株根部和叶片部分的重金属含量。在阻控植株吸收富集重金属方面,PBC400-3%施加后效果最为显著,其中Cd含量在根部和叶片分别降低了48.80%和55.88%,Cu在根部和叶片分别降低了33.04%和43.41%。
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