生物质炭对土壤中阿特拉津的吸附与控释行为研究

发布时间：2020-05-31 21:20

【摘要】：生物质炭(biochar)是木材、畜禽粪便、秸秆等生物质在厌氧或缺氧条件下,经高温裂解(700℃)产生的一种新型环境功能材料。因其具有较高的孔隙率、较大的比表面积(SSA)、较多的官能团等特征,因而在不同的环境领域具有广泛的应用,如:固碳减排、作物增产、水源净化、重金属吸附和土壤改良等环境修复领域。在土壤改良领域,生物质炭不仅具有保肥增效的功能,还能对土壤中的污染物进行吸附稳定化,从而成为农业环境保护领域的研究热点之一。三嗪类除草剂化学性质稳定,具有较高的水溶性、迁移性和难降解性,属于长期残留除草剂,可对土壤和地下水源均可造成极大的环境风险。这类化合物进入食物链后,将会引起人类的癌变及先天缺陷,并能够干扰荷尔蒙的正常功能,世界多国已经将其列入内分泌干扰剂名单。本论文以茶梗为原材料制备生物质炭,以典型的三嗪类除草剂阿特拉津作为研究对象,分别考察炭化温度、活化温度对生物质炭性能的影响,探讨了不同生物质炭对水和土壤中阿特拉津的吸附效果,同时通过截留实验、控释实验和盆栽实验揭示生物质炭和活化生物质炭对阿特拉津的长期作用效果。(1)选用废弃茶梗为原材料通过控制炭化温度制备生物质炭(BCs)材料,并采用KOH作为活化剂在700℃下活化制备高SSA活性炭材料(GBCs)。对BCs和GBCs进行一系列的材料表征,包括组成成分、比表面积、表面形貌、官能团等,以了解其微观结构和物理化学特性。(2)以模拟的阿特拉津污染水源作为处理对象,研究BCs和GBCs吸附特性的差异。实验结果表明,GBCs的平衡吸附量较BCs分别提升了约50.4倍、538倍、661倍。同时,GBCs对阿特拉津的吸附半衰期也普遍缩短,其中GBC 300的半衰期较BC 300缩短了30倍,降幅度最大。因而生物质炭活化后不仅提高了平衡吸附量和最大吸附量,同时也缩短了吸附半衰期。(3)通过等温吸附实验及数据拟合,探讨BCs和GBCs对阿特拉津的吸附规律。研究发现,Freundlich模型对于BCs的吸附行为拟合效果较好,因而其吸附应为多条件协同作用的结果。Langmuir模型对于GBCs的吸附行为拟合效果较好,因而其吸附为典型的单分子层吸附,且最大吸附量依次为GBC 700GBC 500GBC 300。由GBCs的比表面积变化规律可知,比表面积是决定GBCs吸附量的主要因素。(4)通过截留和控释实验,系统研究BCs和GBCs与土壤协同作用对阿特拉津迁移性能的影响,并通过盆栽实验模拟BCs和GBCs在土壤中长期持续吸附以及可持续释放行为。截留实验发现,在10次除草剂淋洗后,BCs和GBCs施用组均能较好的截留阿特拉津,截留效果分别在80%和90%以上。经过20次淋洗后,GBC 500与GBC 700施用组的截留率仍能维持90%以上,由此可知高SSA的活化生物质炭对阿特拉津截留效果优异并且持续性好。控释实验结果显示阿特拉津能在原始土壤中快速释放,当二次水淋洗20次时,阿特拉津的累积释放约为85%,因而阿特拉津在原始土壤中的迁移性极强。相较而言,当土壤中施加BCs和GBCs后,阿特拉津的释放量显著降低,BCs施用组在经过20次二次水淋洗后的累积释放量约为25%~37%,而GBCs施用组中累积释放量最高为11%(GBC 300)。由此可见GBCs对土壤中的阿特拉津具有较好的吸附固定与控释效果。盆栽实验证明,短期内生物质炭投加量与吸附效果成反比。第一种植周期,生物质炭投加量为0.5%组的狗尾草生长量大于投加量为1%组;第二种植周期,高投加量的生物质炭组的优势更加明显。同时发现GBCs组在土壤中能长期、持续的发挥吸附作用,BCs组在第二种植周期中只有BC 300对狗尾草的生长表现出一定的抑制作用。综上所述,本论文系统研究了不同条件下制备的茶梗生物质炭对土壤中三嗪类除草剂的吸附与控释行为,不仅为土壤中三嗪类除草剂的高效去除及可持续性利用提供了一种可行的方法,而且能为地下水安全治理和农业生产提供了相关的理论依据和技术支持。
【图文】：

结构式,阿特拉津

氯 4 二乙胺基 6 异丙胺基 1 ， 3 ， 5 三嗪。英文通用名为 Atrazine（2 chloro 4 ethylamino 6 isopropylamino s triazine）结构式如图 1 1 所示。图1 1 阿特拉津结构式

图 3 1 茶梗及茶梗生物质炭以及茶梗基活化生物质炭生物质炭的制备完成的样品 BC 300、BC 500、BC 700 取出，置于刚玉舟合，炭碱比为 1:2，，在 N2氛围下活化，活化温度为 700 ℃化后的样品用 1 mol·L-1盐酸进行酸洗浸泡 4 h 后，用砂芯纯水冲洗至滤液呈中性，置于烘箱中 50 ℃烘干 48 h。研磨备用。活化生物质炭（GBCs），命名为 GBC 300、GBC 500及活化生物质炭的制备流程如图 3 2 所示。
【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ424;X53

【相似文献】