生物炭对水稻土铅镉铜锌复合污染的钝化效果研究

发布时间：2020-07-08 04:47

【摘要】：寻找高效廉价的土壤重金属的钝化材料,对于治理土壤重金属污染极为重要。本文选用水稻秸秆、稻壳、小麦秸秆与甘蔗渣4种农业废弃物为原料,在500℃下热解2 h制备4种生物炭(分别标记为RS、RH、WH与SC),研究不同原料制备的生物炭对重金属Pb、Cd、Cu与Zn污染水稻土的理化性质及钝化效果的影响。另外,研究在300℃、500℃与700℃下热解2 h的水稻秸秆生物炭(以RS300、RS500与RS700表示)对重金属Pb、Cd、Cu与Zn污染水稻土的理化性质及重金属有效态的影响,探究不同热解温度的生物炭对土壤重金属Pb、Cd、Cu与Zn污染的钝化效果,旨为生物炭应用于土壤重金属污染修复实践提供参考依据。主要结果如下:(1)生物炭的元素性质与原料种类、热解温度紧密相关。RS、RH、WH与SC的pH在6.9-10之间,RS的pH和产率最高;WH的灰分、N含量、O含量、H/C、O/C及(O+N)/C高于其它3种生物炭;而SC的pH、灰分、产率、N含量、O含量、O/C及(O+N)/C最低。4种生物炭均有明显的蜂窝结构。此外,随热解温度升高,生物炭的pH、灰分及C含量增加,其产率、H含量、O含量、H/C、O/C及(O+N)/C,均随热解温度增加而降低。随着热解温度升高,生物炭的孔隙结构越来越明显,700℃制备的生物炭的整体结构出现塌陷的趋势。(2)生物质原料影响土壤重金属的钝化效果。4种生物炭均能提高土壤的pH、电导率、速效磷及水溶性有机碳含量。同空白相比,生物炭添加量为1.5%和3%时,土壤pH增加了0.1-0.7个单位,速效磷及水溶性有机碳含量的增幅分别为14.3%-93.8%和7.0%-55.7%。且土壤pH、电导率、速效磷及水溶性有机碳含量均随生物炭添加量的增加而增加。与空白相比,生物炭能显著降低土壤中可交换态重金属的含量(p0.05)。所有处理中,WH3、RS3及WH1.5处理降低土壤的可交换态Pb、Cd、Cu与Zn含量幅度均超过60%。添加RS、WH与SC处理对土壤Cd的钝化效果优于RH处理。WH与RS对污染稻田土壤Cu与Zn钝化效果优于RH及SC。3%用量的生物炭钝化效果优于1.5%用量。总之,WH及RS更适宜作为Pb、Cd、Cu与Zn复合污染的土壤修复剂,3%添加量钝化效果较好。(3)热解温度影响生物炭钝化土壤重金属的效果。与空白相比,不同热解温度的生物炭均能显著提高土壤pH、电导率、速效磷及水溶性有机碳含量(p0.05)。土壤的pH与电导率随生物炭热解温度上升而提高,而土壤的速效磷及水溶性有机碳含量的增幅随生物炭热解温度上升而降低。与空白相比,生物炭处理下土壤的pH值、电导率、速效磷含量及水溶性有机碳含量均显著增加。添加RS300、RS500与RS700生物炭培养后,与空白相比,土壤的有效态Pb、Cd、Cu、Zn含量分别降低了10.2%-24.2%、10.7%-25.2%、12.8%-27.6%和4.2%-4.9%,有效态Zn的降低幅度低于其他3种重金属。RS300处理钝化土壤中的Pb与Cd的效果最佳;而RS700处理钝化土壤中的Cu的效果最佳。相对而言,RS700及RS300的钝化效果优于RS500。总之,RS300钝化土壤Pb与Cd的效果较好,RS700钝化土壤Cu的效果较好,而不同温度生物炭钝化土壤的Zn效果差异不显著。(4)WH与RS因灰分含量、pH及O/C比较高,对土壤pH的影响大于RH与SC,致使它们钝化重金属的能力强于RH与SC。RS300钝化土壤Pb与Cd的效果较好,归因于RS300较高的O/C比。RS700钝化土壤Cu效果较好,可能与其较高的pH及灰分含量有关。本研究结果对生物炭的应用具有重要的实际价值,对合理利用农业废弃物及治理土壤多重金属复合污染等问题具有重要意义。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53
【图文】：

红外谱图,生物炭,原料制备,扫描电镜图

图 1 不同原料制备的生物炭的扫描电镜图1 Scanning electron microscopy of of biochars prepared from different feed原料制备的生物炭的红外谱图如图 2 所示。可以看出，生物炭峰在 500、810、1110、1410、1630 与 3580 cm-1处。在 3400-3振动，1595-1630 cm-1为芳香化 C=C 伸缩（吴伟祥等 2015）中有羟基伸缩振动峰（3580 cm-1）和芳香化 C=C 伸缩振动峰（1解温度下，不同原料制备的生物炭的红外光谱具有相似的变化，WH 及 SC 的 P-O 官能团（1110 cm-1）对应的吸收峰减弱， Si-OH 吸收峰，RS 与 RH 有明显的 Si-OH（810 cm-1）吸收峰有 Si-O-C 或 Si-O-Si 结构，这可能与稻秆及稻壳生物炭的灰关。

表面形貌,生物炭,热解温度

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500Wave number (cm-1)图 2 不同原料制备的生物炭的 FTIR 光谱Fig 2 FTIR spectroscopy of biochars prepared from different pyrolysis temperatures 3 为 3 种不同热解温度制备的生物炭的表面形貌电镜照片，其中 a、b 300℃、500℃及 700℃的稻秆生物炭。观察图 3 发现，热解温度 300结构不清晰，整体未展开，堆叠成一团，无明显的孔隙结构；在 500的生物炭孔隙发育趋于完善，结构清晰、层次分明且表面光滑；相对于炭结构，当热解温度升到 700℃，水稻秸秆生物炭的整体结构有分裂续增大出现破裂，随后整体结构出现塌陷的趋势。

【参考文献】