改性巨菌草生物炭修复镉污染土壤的初步研究

发布时间：2020-10-26 15:02

　　 本文以巨菌草(Pennisetum giganteum z.x.lin)为生物炭原材料,分别采用高锰酸钾和过氧化氢溶液浸渍原材料,再在氮气条件、较低热解温度(300℃)下快速热解1h,分别制得改性生物炭JMB1和JMB2,并与改性前生物炭(JBC)作对比。采用元素分析仪、扫描电镜-能谱分析仪(SEM-EDS)、比表面积分析仪、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱仪(XPS)等技术分别表征和分析了生物炭表面主要元素含量、形态特征、比表面积和孔隙度、晶体结构、表面官能团以及表面主要元素的价态变化。并通过探究反应时间、Cd(Ⅱ)初始浓度、溶液pH值、反应温度等对生物炭在溶液中吸附Cd(Ⅱ)的影响,分析改性生物炭对Cd(Ⅱ)的吸附机制。通过将生物炭分别添加到模拟土壤和实际污染土壤,探讨添加生物炭后对土壤pH值、阳离子交换量等的影响,并进一步研究材料对实际污染土壤中镉赋存形态、可交换性盐基离子和有效态锰的影响,从而分析改性生物炭对镉污染土壤的修复作用。本文的主要结论如下:(1)在吸附实验中,JBC和JMB1对Cd(Ⅱ)的吸附均符合拟二级动力学模型,即以化学吸附为主,且IMB1对Cd(Ⅱ)的吸附性更强;而JMB2对Cd(Ⅱ)的吸附更倾向于拟一级动力学模型,即以物理吸附为主。相比Freundlich模型,三种材料对Cd(Ⅱ)的吸附更符合Langmuir模型,其最大吸附量分别为:JMB1(90.32 mg/g)JMB2(45.18 mg/g)JBC(41.79 mg/g)。(2)选取对Cd(Ⅱ)吸附更强的JMB1进一步探讨溶液中pH值对材料吸附性能的影响,并通过XPS图谱分析吸附前后JMB1表面元素价态的变化,结果表明吸附后π键芳香基团消失,JMB1表面的羟基(-OH)和Cd(Ⅱ)的中心形成表面络合物,由此可知:JMB1对Cd(Ⅱ)的吸附机制主要有沉淀作用、表面络合和阳离子π作用。(3)将生物炭用于模拟土壤实验中,结果表明:添加生物炭能显著提高土壤pH值和阳离子交换量(CEC),根据这一实验结果,进一步将JBC和JMB1两种生物炭添加到实际污染土壤中,结果显示土壤酸化状况明显改善,土壤pH值从5.60提高到7.80左右;同时,土壤中有机质含量有不同程度的增加。镉形态分析结果显示土壤中土壤中可交换态镉含量明显下降,残渣态镉含量显著增加。在不同培养时间里,材料对土壤镉的修复效果表现为JMB1JBCCK。与对照组(CK)相比,随着培养时间的延长,添加JMB1后可交换态镉下降幅度更明显:90d(15.02%)120d(11.18%)60d(13.9%)30d(6.66%)。与此同时,添加生物炭对土壤可交换性K~+、Ca~(2+)、Na~+、Mg~(2+)和有效态Mn产生了不同程度的影响。其中JMB1负载着的Mn与污染土壤中的Cd(Ⅱ)可能发生了交换作用,从而导致了土壤中的Mn含量增加,可交换态Cd含量下降。
【学位单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X173;X53
【部分图文】：

技术路线

14 图像：（a）原性生物炭（JBC），（b）KMnO4浸渍生物炭渍生物炭（JMB2）M image: (a) pristine biochar (JBC), (b) KMnO4-impregnH2O2-impregnated Biochar (JMB2)

15 EDS 谱图及原子比：（a）原性生物炭（JBC），（b）KMnO4浸渍和 H2O2浸渍生物炭（JMB2）2 EDS spectrum with the element ratio: (a) pristine biochar (JBC), (b)d Biochar (JMB1) and (c) H2O2-impregnated Biochar (JMB2)
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本文编号：2857151