不同生物质制备的生物炭及其在红壤铅镉稳定化中的应用

发布时间：2019-04-11 17:24

【摘要】：生物炭(Biochar)由于其表面积巨大,表面官能团丰富而被人们广泛用于环境治理中。然而,生物炭运用在红壤重金属铅镉复合稳定化的研究则鲜有报道。本研究选择柚子皮和谷壳为生物质源,选取HTT(最高热解温度)300℃、400℃、500℃,停留时间2h、5h及18℃/min升温速率条件下制备生物炭,并将生物炭运用到铅镉污染红壤的稳定化技术研究中。试验所用土样为高岭石型红壤。通过对生物炭和处理土样的表征分析掌握了所制备的生物炭基本特性,初步阐释出生物炭对红壤铅镉复合重金属同步修复的稳定化机理。主要研究结果如下:(1)柚子皮热解阶段为180~430℃,质量损失60%;碳化阶段为420~500℃,质量损失20%。谷壳热解阶段为260~350℃,质量损失45%;碳化阶段为350~630℃,质量损失30%。当HTT超过碳化阶段温度时,只剩10%的残余灰烬。(2)随着热解温度升高生物炭的表面结构越复杂,表面官能团由简单的烃烷基、羟基、羧基、酯基等开始向芳香化缩合,至500℃时基本完成芳香化转化。这些表面官能团能够提供大量的化学吸附位点,有助于铅镉吸附稳定化。热解停留时间对表面结构影响不明显。(3)不同条件制备的生物炭对土壤铅镉的稳定化效果,HTT300℃生物炭的要高于HTT500℃的;5h碳化停留时间的生物炭稳定化处理组比2h的有更长期的稳定化优势,C35组和P35组的稳定效果最好。对土壤镉,柚子皮生物炭稳定化效果要优于谷壳组,短期内(稳定化时间16d)呈现明显的波动状态,16d之后则表现稳定增长。各生物炭处理组对土壤铅的稳定化效果在16~32d后稳定效果有明显增长。(4)模拟铅添加稳定试验可得,C35和P35生物炭在较低铅浓度(C组添加以下)下均对铅有更好的稳定化效果,但16倍以上添加则表现为活化作用。P10组最优稳定化效果为A组的32d处理,铅、镉稳定化率分别为57.6%和48.6%;P5组最优稳定效果为原土组的2d处理,铅、镉稳定化率分别达59.2%和55.2%;C5组最优稳定效果为原土组的4d处理,铅、镉稳定化率分别为55.9%、32.6%。随着土壤铅含量增加,对红壤镉总体影响不大。对红壤铅镉,C5组短期稳定作用明显,但长期效果不显著,柚子皮生物炭则表现短期内有波动,中长期效果的更明显。(5)C组生物炭对红壤铅的平均稳定容量最大,C5组13.01 mg/g、P5组17.78mg/g、P10组8.93 mg/g。生物炭对红壤镉平均稳定容量最大为:C5组为原土组0.012 mg/g、P5组为A组0.026 mg/g,P10组为原土组0.017 mg/g。柚子皮生物炭对红壤铅镉稳定容量更大,P5组单位稳定容量最大,最优投加量应为5%(w:w)柚子皮生物炭添加。(6)结合各表征分析可知,生物炭对土壤铅镉的稳定化作用主要不是靠表面物理吸附,而是靠-OH、甲基、亚甲基、-C=O、R-C-O等官能团的化学吸附为主。土壤铅镉和生物炭上的羟基、羧基酯基等官能团发生化学吸附,生成二十八烷醇铅(C36H70O4Pb)、L-苯丙氨酸二镉(C18H20CdN2O4)等金属-有机配合物、以及难溶解的砷酸铅(PbAs2O6)等化学沉淀,从而达到稳定土壤重金属的目的。
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【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53

【参考文献】