复合改性生物炭对硝态氮吸附及土壤氮素转化的影响
发布时间：2022-01-26 02:18
农业生产中氮肥过量施用,引起土壤硝态氮大量累积,随灌水或降雨淋失,威胁水体质量安全,激发农业面源污染。因此,土壤硝态氮（NO3ˉ-N）的淋失阻控及水体氮去除成为诸多学者普遍关注的焦点。生物炭作为一种由生物质热解制得的多孔富碳材料,对土壤氮素转化及营养盐运移的调控作用,使人们看到其缓控土壤硝态氮淋失的潜力,但这种潜力常受其表面无定型特性制约,为提高其性能,需要对其表面进行改性。本研究以花生壳为原料,在600℃下厌氧热解制备生物炭,并对其进行金属-凝胶复合改性,通过批量吸附与控制试验,结合电镜扫描（SEM）、傅里叶变换红外光谱分析（FTIR）、X射线衍射分析（XRD）等技术进行表征和分析,探索复合改性生物炭对水体NO3ˉ-N的吸附性能和土壤氮素转化的作用,以期为新型环保材料的制备与应用提供理论依据。研究结果如下:（1）铁、锰、镁离子改性使生物炭比表面积和孔容较未改性分别增大6.70-12.20倍,2.30-5.00倍,EC值提高0.50-3.10倍。铁离子改性降低生物炭pH 0.76个单位,镁离子改性升高pH2.36个单位。铁、锰、镁改性显著增强...
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究技术路线图
中国农业科学院硕士学位论文第二章金属改性生物炭的制备及对硝态氮的吸附性能102.1.7数据处理与分析采用MicrosoftExcel2010对数据进行处理，采用SPSS23.0进行单因素方差分析，模型拟合、红外光谱图和孔隙分布图的绘制采用Origin9.1，采用OMNIC8.2进行红外光谱分析，采用MDIJade6.5进行X射线衍射图谱分析。2.2结果与分析2.2.1改性生物炭形貌与基本理化性质不同生物炭扫描电镜图如图2-1所示，未改性生物炭（BC）表面呈无定型片状结构，片层相互堆叠形成缝隙。铁离子改性生物炭（FBC）表面呈环状大孔隙结构，锰离子改性生物炭（MBC）表面呈多层结构，层之间形成近椭圆形孔隙，镁离子改性生物炭（GBC）表面呈多孔的蜂窝状结构，表面分布白色细小颗粒，可能为镁氧化物。对比改性前后生物炭X-射线衍射（XRD）图谱（图2-2），FBC在2θ=260处出现明显的波峰，表明含有Fe3+(OH)晶体，在2θ=260之后的位置出现的小峰说明有FeC8、Fe(OH)3、FeN、Fe、Fe3O4、FeO等晶体存在。MBC在2θ=250处出现Mn(NO3)2·H2O晶体特征峰，随后出现较弱的Mn3O4、Mn2O3晶体峰，内部还含有少量的Mn7O3、MnO2、Mn晶体。GBC在2θ=240和2θ=270处有2个中等强度峰，分别由C10H14MgO4·2H2O和Mg(NO3)2等晶体衍射形成，其余出现的弱小峰，表明改性生物炭表面分布MgO、Mg(OH)2和Mg等晶体，由此可见3种金属离子被负载到生物炭表面。金属离子改性显著增加生物炭比表面积和孔容（表2-1），与BC相比，FBC比表面积和孔容分别增大12.16倍，5.00倍；MBC分别增加11.43倍，5.00倍，GBC分别增加6.67倍，2.30倍。与BC相比，FBC的pH降低0.76个单位，GBC的pH升高2.36个单位。相比于BC，FBC、MBC和GBC的EC分别增加3.10倍，0.50倍，2.70倍，FBC中Fe、MBC中Mn和GBC中M
中国农业科学院硕士学位论文 第二章 金属改性生物炭的制备及对硝态氮的吸附性能 2.2.6 共存阴离子对改性生物炭吸附性能的影响 溶液中 SO42-和 Cl-的存在显著影响生物炭对 NO3--N 的吸附（图 2-6），且 Cl-的影响比 SO42-更大。这主要是 NO3-、SO42-和 Cl-之间相互竞争生物炭上的吸附位点。在 SO42-存在条件下，生物炭对硝态氮的吸附量下降 10.90-18.03mg g-1，其中 FBC 在 NO3--N 浓度高于 400mg·L-1 下降的幅度较大。在 Cl-存在的溶液中，生物炭对 NO3--N 的吸附量下降 19.70-23.57 mg g-1，吸附量整体较SO42-存在溶液中低 5.54-8.80 mg g-1，这可能是因为 Cl-的离子半径小，更容易在生物炭孔隙内扩散占据吸附位点。
【参考文献】：
期刊论文
[1]碱和磁复合改性小麦秸秆生物炭对水体中镉的吸附特性及机制[J]. 崔志文,任艳芳,王伟,张黎明,张陆云,王曦玥,何俊瑜. 环境科学. 2020(07)
[2]玉米生物炭和改性炭对土壤无机氮磷淋失影响的研究[J]. 王静,付伟章,葛晓红,郑书联,薄录吉. 农业环境科学学报. 2018(12)
[3]2种改性生物炭对水体硝态氮的吸附特性[J]. 张文,吕欣田,韩睿,胡志新. 生态与农村环境学报. 2018(03)
[4]不同原料生物炭对铵态氮的吸附性能研究[J]. 宋婷婷,赖欣,王知文,方明,杨殿林,居学海,李洁,张贵龙. 农业环境科学学报. 2018(03)
[5]铁锰氧化物/生物炭复合材料对水中硝酸根的吸附特性[J]. 郑晓青,韦安磊,张一璇,史良于,张潇. 环境科学. 2018(03)
[6]硫酸改性小麦秸秆生物炭对氨氮吸附特性研究[J]. 左昊,徐康宁,孟萍萍,汪诚文. 应用化工. 2017(07)
[7]改性猪粪生物炭对水中Cr（Ⅵ）的吸附性能[J]. 陈佼,张建强,陆一新,雷成,周瑜. 水处理技术. 2017(04)
[8]生物炭-铁锰氧化物复合材料制备及去除水体砷（Ⅲ）的性能研究[J]. 林丽娜,黄青,刘仲齐,宋正国. 农业资源与环境学报. 2017(02)
[9]聚丙烯酸/氧化石墨烯自修复水凝胶的合成及性能[J]. 李海燕,李爽,王奇,崔业翔,马英杰. 中国塑料. 2016(11)
[10]花生壳生物炭对硝态氮的吸附机制研究[J]. 王荣荣,赖欣,李洁,常泓,张贵龙. 农业环境科学学报. 2016(09)
博士论文
[1]氧化石墨烯基纳米复合水凝胶的制备及其性能研究[D]. 朱照琪.兰州理工大学 2017
[2]小麦秸秆炭改性活化及其氮磷吸附效应研究[D]. 李际会.中国农业科学院 2015
[3]芳烃的硝化反应及其理论研究[D]. 王鹏程.南京理工大学 2013
硕士论文
[1]生物炭改性及其对沼液中氮的吸附特性研究[D]. 马艳茹.黑龙江八一农垦大学 2018
[2]生物炭对土壤氮素固持转化影响的模拟研究[D]. 盖霞普.中国农业科学院 2015
[3]Fe/Mg改性生物炭去除水中氮磷的研究[D]. 陈靖.重庆大学 2015
[4]紫外辐射改性碳材料对水中重金属的吸附研究[D]. 陈健康.重庆大学 2014
[5]改性生物炭吸附硝酸盐和磷酸盐研究[D]. 李际会.中国农业科学院 2012
本文编号：3609615
【文章来源】：中国农业科学院北京市
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
研究技术路线图
中国农业科学院硕士学位论文第二章金属改性生物炭的制备及对硝态氮的吸附性能102.1.7数据处理与分析采用MicrosoftExcel2010对数据进行处理，采用SPSS23.0进行单因素方差分析，模型拟合、红外光谱图和孔隙分布图的绘制采用Origin9.1，采用OMNIC8.2进行红外光谱分析，采用MDIJade6.5进行X射线衍射图谱分析。2.2结果与分析2.2.1改性生物炭形貌与基本理化性质不同生物炭扫描电镜图如图2-1所示，未改性生物炭（BC）表面呈无定型片状结构，片层相互堆叠形成缝隙。铁离子改性生物炭（FBC）表面呈环状大孔隙结构，锰离子改性生物炭（MBC）表面呈多层结构，层之间形成近椭圆形孔隙，镁离子改性生物炭（GBC）表面呈多孔的蜂窝状结构，表面分布白色细小颗粒，可能为镁氧化物。对比改性前后生物炭X-射线衍射（XRD）图谱（图2-2），FBC在2θ=260处出现明显的波峰，表明含有Fe3+(OH)晶体，在2θ=260之后的位置出现的小峰说明有FeC8、Fe(OH)3、FeN、Fe、Fe3O4、FeO等晶体存在。MBC在2θ=250处出现Mn(NO3)2·H2O晶体特征峰，随后出现较弱的Mn3O4、Mn2O3晶体峰，内部还含有少量的Mn7O3、MnO2、Mn晶体。GBC在2θ=240和2θ=270处有2个中等强度峰，分别由C10H14MgO4·2H2O和Mg(NO3)2等晶体衍射形成，其余出现的弱小峰，表明改性生物炭表面分布MgO、Mg(OH)2和Mg等晶体，由此可见3种金属离子被负载到生物炭表面。金属离子改性显著增加生物炭比表面积和孔容（表2-1），与BC相比，FBC比表面积和孔容分别增大12.16倍，5.00倍；MBC分别增加11.43倍，5.00倍，GBC分别增加6.67倍，2.30倍。与BC相比，FBC的pH降低0.76个单位，GBC的pH升高2.36个单位。相比于BC，FBC、MBC和GBC的EC分别增加3.10倍，0.50倍，2.70倍，FBC中Fe、MBC中Mn和GBC中M
中国农业科学院硕士学位论文 第二章 金属改性生物炭的制备及对硝态氮的吸附性能 2.2.6 共存阴离子对改性生物炭吸附性能的影响 溶液中 SO42-和 Cl-的存在显著影响生物炭对 NO3--N 的吸附（图 2-6），且 Cl-的影响比 SO42-更大。这主要是 NO3-、SO42-和 Cl-之间相互竞争生物炭上的吸附位点。在 SO42-存在条件下，生物炭对硝态氮的吸附量下降 10.90-18.03mg g-1，其中 FBC 在 NO3--N 浓度高于 400mg·L-1 下降的幅度较大。在 Cl-存在的溶液中，生物炭对 NO3--N 的吸附量下降 19.70-23.57 mg g-1，吸附量整体较SO42-存在溶液中低 5.54-8.80 mg g-1，这可能是因为 Cl-的离子半径小，更容易在生物炭孔隙内扩散占据吸附位点。
【参考文献】：
期刊论文
[1]碱和磁复合改性小麦秸秆生物炭对水体中镉的吸附特性及机制[J]. 崔志文,任艳芳,王伟,张黎明,张陆云,王曦玥,何俊瑜. 环境科学. 2020(07)
[2]玉米生物炭和改性炭对土壤无机氮磷淋失影响的研究[J]. 王静,付伟章,葛晓红,郑书联,薄录吉. 农业环境科学学报. 2018(12)
[3]2种改性生物炭对水体硝态氮的吸附特性[J]. 张文,吕欣田,韩睿,胡志新. 生态与农村环境学报. 2018(03)
[4]不同原料生物炭对铵态氮的吸附性能研究[J]. 宋婷婷,赖欣,王知文,方明,杨殿林,居学海,李洁,张贵龙. 农业环境科学学报. 2018(03)
[5]铁锰氧化物/生物炭复合材料对水中硝酸根的吸附特性[J]. 郑晓青,韦安磊,张一璇,史良于,张潇. 环境科学. 2018(03)
[6]硫酸改性小麦秸秆生物炭对氨氮吸附特性研究[J]. 左昊,徐康宁,孟萍萍,汪诚文. 应用化工. 2017(07)
[7]改性猪粪生物炭对水中Cr（Ⅵ）的吸附性能[J]. 陈佼,张建强,陆一新,雷成,周瑜. 水处理技术. 2017(04)
[8]生物炭-铁锰氧化物复合材料制备及去除水体砷（Ⅲ）的性能研究[J]. 林丽娜,黄青,刘仲齐,宋正国. 农业资源与环境学报. 2017(02)
[9]聚丙烯酸/氧化石墨烯自修复水凝胶的合成及性能[J]. 李海燕,李爽,王奇,崔业翔,马英杰. 中国塑料. 2016(11)
[10]花生壳生物炭对硝态氮的吸附机制研究[J]. 王荣荣,赖欣,李洁,常泓,张贵龙. 农业环境科学学报. 2016(09)
博士论文
[1]氧化石墨烯基纳米复合水凝胶的制备及其性能研究[D]. 朱照琪.兰州理工大学 2017
[2]小麦秸秆炭改性活化及其氮磷吸附效应研究[D]. 李际会.中国农业科学院 2015
[3]芳烃的硝化反应及其理论研究[D]. 王鹏程.南京理工大学 2013
硕士论文
[1]生物炭改性及其对沼液中氮的吸附特性研究[D]. 马艳茹.黑龙江八一农垦大学 2018
[2]生物炭对土壤氮素固持转化影响的模拟研究[D]. 盖霞普.中国农业科学院 2015
[3]Fe/Mg改性生物炭去除水中氮磷的研究[D]. 陈靖.重庆大学 2015
[4]紫外辐射改性碳材料对水中重金属的吸附研究[D]. 陈健康.重庆大学 2014
[5]改性生物炭吸附硝酸盐和磷酸盐研究[D]. 李际会.中国农业科学院 2012
本文编号：3609615
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