空心苋生物炭、膨润土及其复合吸附剂对茶园土壤Cd的固持作用研究

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伴随着工业、农业、旅游业以及交通业等多行业的迅速发展,土壤重金属污染问题日益严重,治理土壤中的重金属污染已成为当前研究的热点。镉是存在于土壤中的典型重金属污染物,在环境中具有作用周期长、移动性大、生物毒性高以及难降解等特点,较易被植物吸收并残留于体内,且通过食物链富集作用危害动物和人类的健康。固化/稳定技术因操作简便、效果良好,已成为比较成熟的重金属污染土壤治理方法。目前,单一的固化修复材料运用于重金属污染修复的研究已较多,而将两种或多种材料复合以期得到重金属污染修复效果更为优越的材料的研究还很少。因此,对于固化修复材料的深入研究具有重要理论意义。本研究以无机材料—钙基膨润土和有机材料—恶性水生杂草空心苋为原料,对钙基膨润土进行简单物理提纯得到纯度较高的膨润土吸附材料(BE),分别在300℃、500℃、700℃限氧环境下制备出空心苋生物炭(PB)和膨润土—空心苋生物炭复合吸附剂(APB)。通过元素分析、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱等手段探讨了热解温度、材料类型对吸附剂理化特性的影响。通过批量吸附实验研究了有机、无机单一吸附剂及其复合吸附剂对水相中Cd2+的吸附特性及吸附机制。开展了有机、无机单一吸附剂及其复合吸附剂对茶园土壤中Cd2+的固持作用研究和效果评估,探讨了单一及复合材料对Cd2+污染茶园土壤修复的可行性。得到如下结论:(1)三种吸附材料均呈碱性。随着热解温度升高,空心苋生物炭和复合吸附剂的pH值增大,产率降低,灰分含量升高,C、H、N、O元素含量及原子比值随之降低;而其表面酸性官能团减少,芳香性增加。空心苋生物炭表面孔隙结构随热解温度升高而更加丰富,但不利于复合吸附剂表面孔隙结构的发育。复合吸附剂表面出现Si、Ca、Mg、Al等元素的峰值和Si-O-Si、Si-O伸缩振动吸收峰特征的官能团表明膨润土成功地负载到了空心苋生物炭上。(2)700℃生物炭和300℃复合吸附剂表现出了良好的吸附能力。准二级吸附动力学模型能更准确地描述吸附剂对Cd2+的吸附动力学过程。吸附剂对Cd2+的吸附过程分为表面吸附和平缓吸附两个阶段,表明在吸附过程中颗粒内扩散是主要控速步骤,但不是唯一的控速步骤。吸附剂对Cd2+的吸附行为更符合Freundlich模型描述的不均匀的多层吸附,且吸附剂对Cd2+的吸附为自发完成的吸热过程。溶液pH值会显著影响吸附剂对Cd2+的吸附,在pH值达到6.0时,吸附量基本达到平衡。吸附材料形态结构、络合作用、阳离子-π作用、共沉淀作用、离子交换作用等是其主要吸附机制。(3)吸附剂施入后能有效提高土壤pH值,并随施加量增加而升高。施入吸附剂后,均能显著降低土壤中Cd有效态含量,有效固定土壤中的Cd,减少其迁移性,且与吸附剂施入量、热解温度均成正比。土壤中可交换态Cd的含量也能有效降低,且随施入量增加而呈持续降低趋势;碳酸盐结合态、残渣态、铁锰氧化物结合态、有机化合态形态中的一种或几种形态的含量出现增加变化。在3%施加量下,700℃生物炭对降低土壤中可交换态Cd2+含量的效果最为显著,复合吸附剂修复效果略低于700℃生物炭,也取得了良好的效果。
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