生物炭化学氧化后的理化性质及其对污染物的吸附

发布时间：2019-01-29 04:31

【摘要】：生物炭是生物质在限氧环境中,经不完全碳化而生成的一类难溶、稳定且高度芳香化的含碳物质,普遍存在于土壤和沉积物中。由于其丰富的孔结构,特殊的表面积和良好的生物化学稳定性,除了具有碳封存和温室气体减排的功效外,还能有效地增加土壤肥力,调控土壤pH值和吸附污染物,因而被广泛运用于农业生产中。其中生物炭对污染物的强烈吸附是其重要的环境效应之一,但是生物炭进入环境后,必然在物理、化学、生物过程中被老化,表面积、孔容积和表面形态等表面化学性质都会发生不同程度的改变。因此,生物炭的环境效应及其对污染物的环境行为及风险效应不能简单的用生物炭初始的物理化学性质进行评估,对生物炭吸附控制污染效用和风险的理解客观上需要考虑其在环境中的性质变化。本研究拟选用玉米秸秆(CN)、松木屑(PW)及两种模型化合物(纤维素(CE)和木质素(LG))为原料,烧制得到200-500℃四个温度的生物炭,以NaClO化学氧化方法模拟生物炭在自然环境中的化学老化过程,通过元素分析、比表面积分析、红外光谱及苯多酸(BPCAs)生物标记物测定,对生物炭氧化前后含量及特性进行描述。选取双酚A(BPA)、磺胺甲VA唑(SMX)和菲(PHE)三种有机污染物为研究对象,探讨生物炭氧化对污染物环境行为的影响,为生物炭的环境友好应用提供理论基础。研究结果表明:1)随烧制温度的升高,四种生物质得到的生物炭均表现出C百分含量增加,O和H百分含量降低,H/C、O/C和(N+O)/C原子比随烧制温度的升高而减小。经NaClO氧化处理后,所有类型的生物炭C含量均表现出不同程度的降低,O含量增加的现象,说明氧化后表面形成了大量的含氧官能团。2)四种生物质烧制的生物炭均表现出随温度的升高,表面积增加,且其变化与生物质类型有关。不同的生物质所含纤维素、半纤维素和木质素含量不同,在烧制过程中导致碳化程度及结构重排过程存在差异,进而影响生物炭孔隙结构及表面积大小。经NaClO氧化处理后,所有生物炭表面积均表现出不同程度的减小。而所有温度下烧制得到的LG生物炭在整个化学氧化过程中表面积变化程度均不明显,可能是因为大量的木质素在烧制过程中苯环发生重排,形成稳定浓缩的芳香环,能够有效的抵挡NaClO的氧化。3)随烧制温度的升高,BPCAs含量增加,其中B6CA(苯六酸)含量不断增加,B3CA(苯三酸)、B4CA(苯四酸)和B5CA(苯五酸)含量则减少。经氧化处理后,BPCAs总量有所下降,但各个单体的百分含量几乎不变。4)四种材料烧制得到的不同温度生物炭氧化前后的BPCAs信息与生物炭质量呈现出一个很好的趋势,可以用函数关系式y=2627.4x-0.885表达。该函数关系式更加精准有效的定量和定性描述土壤中的生物炭信息,为动态理解生物炭性质提供有效技术手段。5)CN及PW烧制得到的生物炭对BPA、SMX和PHE都展现出较强的吸附能力,相对于BPA和SMX,PHE在CN和LG两种生物质烧制得到的不同温度生物炭及经氧化处理后的生物炭上都拥有较高的Kd值,这可能与生物炭具备高的疏水性有关。而BPA和SMX虽然有相似的溶解度,但BPA在生物炭上的Kd值比SMX大。SMX由于较低的pKa心值,使得在实验条件下可能以SMX表面带负电荷(SMX-)占主导。而生物炭的表面由于含有大量含氧官能团而带负电,使得SMX-与带负电的生物炭之间发生静电排斥而减小吸附,从而导致SMX相对于BPA有一个较低的Kd值。本研究是理解生物炭在其施用生命周期内环境效应的重要理论依据,能够客观并动态地评价生物炭对污染物环境行为和风险的影响。
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【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X505

【参考文献】