生物炭复合肥料的制备及其对农田土壤镉污染修复效应

发布时间：2020-10-14 02:43

　　土壤镉污染不仅会影响土壤生态系统,抑制植物生长发育,降低作物产量和品质,而且极易通过食物链积累威胁人体健康。联合国环境规划署于1984年明确将镉列为当前最重要的一种农业环境污染物。随着土壤镉污染日益加剧以及人民安全粮食的需求持续增加,寻找一种低成本高效率有肥力的农田土壤钝化技术成为近年来的研究热点。生物炭及其复合材料具有丰富的活性官能团、复杂的孔隙结构、较大的比表面积和阳离子交换量等特点为其钝化土壤重金属和改善农田肥力提供了可能。本文利用玉米秸秆生物质、硅藻土、重过磷酸钙和尿素按照一定比例(生物质:硅藻土:重过磷酸钙=5:1:1和生物质:硅藻土:重过磷酸钙=10:1:1)制备成B5PNx系列、B10PNx系列生物炭复合肥料,并分析其理化性质和微观结构。基于土壤室内培养实验和田间玉米种植实验研究了生物炭复合肥料对镉污染土壤的钝化改良效果和对玉米生长的影响。主要研究内容及成果如下:(1)生物炭复合肥料的基本理化性质和微观结构。相比单一生物炭Bx,B5PNx系列属于中性材料(pH:6.91~7.14),B10PNx系列为弱碱性材料(pH:8.01~8.74)。基于官能团分析,B5PNx系列和B10PNx系列比Bx具有更多的脂肪族C-O拉伸、Si-O-Si、PO_4~(3-)、氨基等活性官能团。制备的B5PNx和B10PNx生物炭复合肥料属于介孔结构(2nmd10nm),孔径仅为2 nm左右,而且比表面积明显大于Bx生物炭。与单一生物炭Bx相比,B5PNx和B10PNx系列生物炭复合肥料中具有较高的P、N、Si元素含量。基于SEM微观结构显示,B5PNx和B10PNx主要表现为尺寸较为均匀的鱼鳞层状结构和蜂窝骨状结构相互无序排列,明显区别于Bx生物炭的片状结构。(2)基于室内土壤培育实验开展了生物炭复合肥料对土壤Cd的钝化效应研究。结果表明:随着热解温度升高,生物炭复合肥料对土壤Cd的钝化效果逐渐增强。当热解温度为600℃时,对土壤Cd的平均钝化率最高(34.02%)。不同原料配比下,B5PNx系列对土壤Cd的钝化效果最好,其钝化率平均为34.43%。随着投加量的增加生物炭材料对土壤的钝化率随之升高,投加量为3%时,生物炭复合肥料B5PN_6对镉的平均钝化率为41.2%,是单一生物炭平均钝化率的1.45倍。基于性能表征和钝化效果分析,生物炭复合肥料对土壤镉的钝化机理主要是通过复合硅藻土、重过磷酸钙、尿素等材料增加其表面官能团(硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等)和表面矿物质(磷酸根、碳酸根等),使其与土壤中镉离子发生络合、沉淀等化学作用,进而改变土壤中镉的形态,使镉发生钝化;同时,生物炭复合肥料复杂的孔洞结构提供了更多的阴影孔和吸附位点,可以进一步锁住镉,提高生物炭复合肥料钝化镉的稳定性。(3)基于田间微区实验分析生物炭复合肥料对土壤和作物系统的环境效应。结果表明,随着生物炭复合肥料施用量的增加,田间土壤中镉有效态含量与土壤镉全量的比值(有效态占比)显著降低,当施加量为1800 kg·ha~(-1)时土壤中镉有效态占比最低(31.43%)。不同原料配比下,施加B5PNx系列生物炭材料时,农田土壤平均Cd有效态占比最低(33.15%)。不同热解温度下,施加600℃制备生物炭材料时,农田土壤平均Cd有效态占比最低(34.68%)。同时,施加生物炭复合肥料显著提高了农田土壤有机质和阳离子交换量。B5PN_6生物炭复合肥料按照1800 kg·ha~(-1)施用后,农田土壤有机质含量和阳离子交换量分别为2.89%和12.93cmol·kg~(-1),分别是施用Bx系列土壤有机质(2.21%)和阳离子交换量(10.76cmol·kg~(-1))的1.3倍和1.2倍。(4)基于田间微区实验分析生物炭复合肥料对土壤-作物系统中镉的生物有效性。与对照相比,不同施加量(450 kg·ha~(-1)、900 kg·ha~(-1)、1800 kg·ha~(-1))处理的玉米籽粒镉含量分别降低了16.67%、26.19%、30.95%。不同原料配比(Bx、B5PNx、B10PNx)处理的玉米籽粒镉含量分别降低了23.38%、21.43%、26.19%。不同热解温度(300℃、450℃、600℃)处理的玉米籽粒镉含量分别降低了16.67%、21.43%、33.33%。与Bx生物炭相比,施用生物炭复合肥料后显著降低了玉米籽粒镉富集系数。施用B5PNx复合肥料的玉米籽粒平均富集系数为0.34%,比施用Bx生物炭后玉米籽粒的平均富集系数(0.38%)降低了10.53%。其中以生物炭复合肥料施加量为1800kg·ha~(-1)的处理效果最好。基于生物炭材料的性质、室内培育实验和田间试验的结果,当生物质与硅藻土、重过磷酸钙质量之比为5:1:1,热解温度为600℃时制备的B5PN_6生物炭复合肥料对土壤和作物系统环境效应最好。因此,本研究初步确定生物炭复合肥料的制备条件为玉米秸秆生物质、硅藻土和重过磷酸钙按照5:1:1混合后,在600℃无氧氛围下高温裂解,然后与尿素4:1混合烘焙3小时。
【学位单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S143.6;X53
【部分图文】：

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生物炭复合肥料的制备及其对农田土壤镉污染修复效应 13.01。这与相关学者的研究结果一致[65]。可能因为在热解过程能团发生改变，而且其改变程度和温度有关。单一普通生物炭的.01，属于强碱性。在复合生物炭肥料方面，生物质含量高的 B10P生物质含量低的 B5PNx 系列 pH 值高，最高高出 29.66%。B5PN性材料，B10PNx 系列属于碱性材料。这说明在热解过程中，四物质、硅藻土和重过磷酸钙发生了较强的化学反应，可能官能团改变，而且这种改变和生物质与硅藻土、重过磷酸钙的配比有关于钝化土壤重金属来说，弱酸性的材料不适宜作为钝化材料，反金属的风险。而强碱性的单一生物质（pH 范围为 9.19-13.01）对能会产生不良影响。因此，从不同处理条件下各生物炭的 pH 结x 系列生物炭复合材料更适宜作为环境友好型土壤钝化剂和改良

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2 生物炭复合肥料的制备及其性能钙灰分在 74.15%左右，与其无机成分含量有关。除了 B5PN4.5，和单一生物炭的灰分都随着热解温度的升高而升高，可能是热解于稳定，因此，灰分含量较高。种原材料的灰分具有极端性，非高及低，但是复合生物炭肥料的0%~40%，这说明在热解的过程中，四种材料发生了复杂的化学反值数据吻合。灰分是生物炭中无机部分，主要有 SiO2、CaO、有吸附能力，所以灰分的存在会对生物炭的吸附性能造成一定程度硅藻土、重过磷酸钙和尿素复合后生物炭复合肥料的灰分含量相的单一生物炭均有所降低，生物质含量高的 B10PNx 系列灰分比。而且 B10PNx 系列的灰分比单一生物炭低，进一步说明了在热解学反应。

红外光谱图,红外光谱