生物炭对石油污染土壤的修复作用研究

发布时间：2020-07-27 09:09

【摘要】：随着国民经济的飞速发展,我国的石油消费量逐年增加。石油及其加工品在给我们带来巨大经济效益的同时,也带来了严峻的环境污染问题。生物炭因其发达的孔隙结构、巨大的比表面积和丰富的表面官能团等性质,逐渐成为倍受青睐的环境污染修复材料。因而,深入探讨生物炭对石油烃的吸附机理及石油污染土壤的修复作用问题,对于今后利用生物炭控制和修复石油污染土壤具有科学依据和应用价值。本研究首先以小麦秸秆和稻壳为原料,在不同热解温度下制备生物炭,通过分析生物炭基本理化性质及其对石油烃的吸附性能,选出吸附效果最佳的麦秆炭和稻壳炭。然后系统探讨自制最佳生物炭和购买的椰壳炭和棉秆炭对石油污染土壤释放出石油烃的吸附效应。再进一步研究生物炭对不同程度石油污染土壤中微生物数量变化和总石油烃及其各组分去除效果的影响。最后分析生物炭施用量对石油污染场地土壤中总石油烃去除效果及微生物群落结构的影响。主要结论如下:(1)对小麦秸秆和稻壳在不同热解温度下制备的生物炭进行表征。结果表明,随着热解温度升高,麦秆炭和稻壳炭的比表面积均逐渐增大,且在热解温度为600℃时达到最大;生物炭得炭率随温度升高而降低,灰分则增加;孔隙结构随温度升高而更加发达,孔隙数量越来越多;麦秆炭和稻壳炭表面含有羟基、羧基和羰基等多种官能团,且生物炭热解温度越高,生物炭的芳香性越强;生物炭吸附柴油实验得出600℃制备的麦秆炭和稻壳炭吸附效果最佳。(2)通过进行麦秆炭、稻壳炭、椰壳炭和棉秆炭吸附石油污染土壤释放的石油烃的单因素批量吸附实验。结果表明:在40 ml油溶液中,反应时间为5 h,溶液pH为5,溶液初始浓度为125.64 mg·L~(-1)(本实验操作范围内),稻壳炭投加量为40 mg,其余3种生物炭为20 mg时,生物炭对石油烃的吸附达到最大值。同时4种生物炭对石油烃的吸附能力由大到小为:麦秆炭椰壳炭稻壳炭棉秆炭。吸附动力学和等温吸附数据拟合结果表明,准二级动力学和Freundlich模型分别能更好的描述生物炭对石油烃的动力学和等温吸附过程,因此生物炭对石油烃的吸附是物理和化学多种机制共同作用。(3)将生物炭施入不同程度石油污染的土壤后,细菌、真菌和放线菌数量均呈现出先上升后下降并趋于稳定的趋势,且高浓度石油污染土壤中微生物数量显著低于低浓度石油污染的土壤。不同程度石油污染土壤中总石油烃(TPHs)去除率趋势为短暂稳定后迅速上升然后逐渐减缓。随着土壤中石油烃含量的增加,TPHs的去除率越低,半衰期越长。对于不同程度石油污染的土壤而言,生物炭施入土壤后对石油烃各组分的去除效果均表现出饱和烃芳香烃极性物质。(4)向石油污染场地的土壤中施加不同量的生物炭进行修复。结果表明,随着修复时间延长,高施用量生物炭的处理(生物炭施加5%)对TPHs的去除效果最佳。不同生物炭施用量土壤的平均吸光度(AWCD)值均呈现出先上升后下降的趋势,在各修复阶段生物炭用量增加显著增强了土壤微生物的活性。在修复前期,生物炭的施入降低了微生物对碳源的利用能力,微生物多样性指数:丰富度指数(H),微生物的优势度指数(D)和均一度指数(U)均无明显变化;在中期,微生物对6类碳源的利用达到高峰,高施用量生物炭的处理对碳源的利用能力最强,H达到最大;到修复后期,不同处理的碳源利用能力均有所下降,微生物以利用羧酸类和多聚物为主,微生物多样性指数D和U均升高。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X53
【图文】：

技术路线图,技术路线,总石油烃,生物炭

山东理工大学硕士学位论文第一章绪论化，探讨生物炭施用量对石油污染场地土壤的总石油烃去除效果及微生物群落结构的影响。1.5.2 技术路线本课题拟采用的技术路线如图 1.1 所示：

电镜图像,稻壳炭,生物炭,麦秆

这可能与麦秆炭和稻壳炭的原料生物质的特性有关。由此可见，较高的热解温度和恰当的原料选择是制得高比表面积生物炭的重要因素。生物炭的得炭率取决于生物质的种类和生物炭制备的工艺技术。从表 2.3 中稻壳炭和麦秆炭的得炭率结果可以看出，两种原料生物炭得炭率均随着热解温度的升高而降低，这与热解温度升高，生物质中挥发分损失增多密切相关[63]，而相同热解温度下，稻壳炭的得炭率明显高于麦秆炭的得炭率，如 700℃时，稻壳炭和麦秆炭产率分别为35.84%和 24.02%。这与常西亮及林珈羽的研究结果一致[26,61]。生物质中木质素含量对生物炭得炭率有较大的影响[64]，生物质的木质素含量越高，其制得生物炭的得炭率越大。而稻壳的木质素含量略高于小麦秸秆，这也使得稻壳炭得炭率高于麦秆炭。生物炭的灰分主要是指 K、Ca、Mg、Na 及 P、S 等无机矿物成分。稻壳炭和麦秆炭的灰分含量结果表明，两种原料生物炭表面灰分含量随温度升高而增大，这是由于 K、Ca、Mg、Na 等无机离子烧结、融合，形成了无机矿物质，碱金属析出量增加，因此导致灰分含量增加[65,66]。2.3.2 扫描电镜分析RHB300 RHB500 RHB600 RHB700

电镜图像,麦秆,稻壳炭,灰分含量

而稻壳的木质素含量略高于小麦秸秆，这也使得稻壳炭得炭率高于麦秆炭。生物炭的灰分主要是指 K、Ca、Mg、Na 及 P、S 等无机矿物成分。稻壳炭和麦秆炭的灰分含量结果表明，两种原料生物炭表面灰分含量随温度升高而增大，这是由于 K、Ca、Mg、Na 等无机离子烧结、融合，形成了无机矿物质，碱金属析出量增加，因此导致灰分含量增加[65,66]。2.3.2 扫描电镜分析图 2.1 稻壳炭的扫面电镜图像Fig. 2.1 SEM of RHBRHB300 RHB500 RHB600 RHB700WSB300 WSB500 WSB600 WSB70020 μm20 μm20 μm20 μm

【参考文献】