生物质炭的田间老化过程与机制研究

发布时间：2020-08-31 15:50

　　 生物质炭具有比表面积大、孔隙结构发达、官能团丰富等特点,在改善土壤物理结构、化学性质和降低污染物生物有效性等方面具有重要作用,已成为土壤污染修复领域的研究热点,但其田间老化过程及对土壤环境的长期效应尚不明确。本课题以现有生物质炭田间修复试验基地为依托,开展生物质炭离土老化模拟实验,运用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等现代分析技术,考察生物质炭在田间环境长期老化过程中组分与结构的变化,探讨其老化产物对土壤有机碳及污染物迁移的影响,阐明生物质炭修复重金属污染土壤的长期效应与潜在的生态风险。具体的研究结论如下:(1)以H_2SO_4/HNO_3、NaOH/H_2O_2混合液模拟酸、碱性土壤环境对生物质炭的化学老化过程,结合官能团及表面结构的变化规律,分析生物质炭化学老化机理,并探讨老化过程对生物质炭吸附重金属污染物性能的影响。试验结果显示,老化过程主要是碳的损失与氧的富集过程;老化生物质炭具备内外元素差异的核壳结构,高含碳量(C%)与氧碳比(O/C)是壳结构的显著特点,表明老化过程是由表及里的氧化过程,氧碳比的升高赋予生物质炭材料极强的表面极性,强化其亲水性能。光谱分析结果显示,老化炭表面含氧官能团增加,其中羧基增加最为显著;扫描电镜(SEM)与孔径分析表明,老化炭表层孔道被严重侵蚀,导致炭的比表面积与孔隙率升高;生物质炭对镉(Cd)的吸附试验结果表明,酸/碱老化生物质炭对镉具有更好的吸附性能,这是含氧官能团增加和比表面积扩大共同作用的结果。(2)将田间土壤微生物提取出并在相应水热环境下模拟土壤微生物活动对生物质炭的老化过程,分析生物质炭组成与表面结构变化,研究其水溶性产物对土壤微生物及有机质成分的影响。试验结果表明,生物质炭促进土壤微生物总量的提高,同时微生物活动对生物质炭存在氧化矿化作用,在其影响下,老化生物质炭表面含氧官能团显著增加,并导致材料极性升高,亲水性增强;结合化学老化模拟试验和田间试验样品发现,硝基官能团的出现是由酸氧化过程引起,这一结果为后期分析田间老化生物质炭中生物与非生物老化所占比例的研究提供参考点。生物质炭的水溶性产物主要为木质素和腐殖酸,但由于木质素和腐殖酸均为微生物较难直接利用的大分子化合物,导致水溶性有机物的芳香性不断升高;腐殖酸的溶出不仅增加了土壤水溶性有机质含量,还赋予土壤水溶液吸附络合重金属离子的能力,存在二次污染的风险。根据模拟试验结果可得:生物质炭微生物处理与对照样相比,其土壤水溶性有机碳因生物老化过程而损失的矿化量可达2 g kg~(-1)土壤。(3)通过对土壤有机-无机复合体含量、特征以及胶结物铁氧化物含量与形态转化的分析,研究生物质炭对土壤肥力的长期效应,同时探讨生物质炭的添加在土壤有机-无机复合体对重金属污染物迁移的影响。试验表明,在40 t ha~(-1)施炭密度下,酸性水稻土中松结态腐殖质含量增加30.1%,盐碱土中增加25.1%。在酸性水稻土中,炭的施加可减少由有机/无机酸引起的腐殖质流失,缓解土壤的灰化层现象,同时增加腐殖质中的含氧官能团,增强其络合效应,稳定土壤中重金属离子;通过X射线衍射技术(XRD)发现,生物质炭促进铅、镉由非矿物态向矿物态转化,降低其生物有效性。在盐碱土环境下,生物质炭增加表层土(0-20 cm)中钙键腐殖质与铁铝键腐殖质含量,同时土壤含水率提高约3%;生物质炭表面含氧官能团的增加提高土壤对镁、铝等的络合吸附能力,增加有机-无机复合体含量,从而改善土壤养分。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X53
【部分图文】：

图 2.1 不同处理后生物质炭的傅里叶变换红外光谱图Fig. 2.1 Fourier transform infrared spectroscopy of biochars from different processes预处理的红外变换图可知，C O 吸收峰在各老化环境下均有所升高，其较为平缓。在酸氧化样品中较预处理和碱处理样品多出三个明显的吸收 NO2sym、和 NO2asym吸收峰。通常认为傅里叶变换红外光谱中 C=O（1炭中羧基官能团或芳香环的存在有关[44]；而 NO2sym、和 NO2asym吸收峰的混合酸（H2SO4/HNO3）在生物质炭表面形成硝基而形成的。从傅里叶知，生物质炭的非生物老化过程会在炭颗粒表面形成种类多样的含氧官为明显。进一步研究各含氧官能团的变化趋势，本课题对所有处理样进行 X 射线

图 2.2 不同处理后的芦苇炭 XPS 曲线图(a)及 BRSB 的分峰图(b, c)Fig. 2.2 (a) XPS curves from treated reed-derived biochars and (b,c) PeakFits of BRSB.表 2.2 XPS 中 C1s 与 O1s 所占积分面积比例Tab. 2.2 Relative ratio of peaks in C1s and O1s from XPS.样品C1s O1sC C C O C=O O=C O CO32 C=O(Carbonyl)O H(Esters)C=O(Esters)C OOR(CarboxylWSB 0.72 0.12 0.07 0.05 0.04 0.12 0.62 0.24 0.02RSB 0.75 0.1 0.07 0.05 0.03 0.09 0.65 0.22 0.04RB 0.78 0.11 0.06 0.03 0.02 0.13 0.65 0.2 0.02PWSB 0.7 0.12 0.08 0.06 0.04 0.07 0.68 0.2 0.05PRSB 0.74 0.1 0.07 0.06 0.03 0.09 0.65 0.21 0.05PRB 0.76 0.12 0.07 0.03 0.02 0.15 0.64 0.17 0.04AWSB-20 0.65 0.16 0.09 0.09 0.01 0.16 0.59 0.19 0.06ARSB-20 0.69 0.14 0.08 0.07 0.02 0.14 0.6 0.18 0.08ARB-20 0.69 0.13 0.09 0.08 0.01 0.14 0.59 0.2 0.07BWSB 0.69 0.13 0.07 0.08 0.03 0.14 0.61 0.21 0.04BRSB 0.74 0.11 0.07 0.06 0.02 0.13 0.62 0.2 0.05

图 2.3 芦苇炭原炭(a)、预处理芦苇炭(b)、酸处理芦苇炭(c)及碱处理芦苇炭(d)的扫描电镜与能谱分析图Fig. 2.3 The SEM and EDS of reed-derived biochar (a), reed-derived biochar (b), acid treated reed-derived biochar (c) and basic treated reed-derived biochar (d).图 2.4 各处理炭的氮气吸脱附等温线(a)及孔径分布图(b)

【参考文献】

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本文编号：2809011