生物炭对水体和土壤环境中重金属铅的固持

发布时间：2020-09-11 15:04

　　生物炭（biochar）是由废弃生物质在厌氧或限氧环境下，通过热解（一般小于700°C）得到的一类稳定的、高度芳香化的多孔状富碳固型材料。由于含有丰富的表面含氧官能团、较发达的孔隙结构及大量的灰分组成等特性，生物炭在固碳、温室气体减排（CO2、N2O）、土壤改良和作物增产等多方面具有良好的应用前景，已受到全球科学工作者和决策者的广泛关注。本文以农业副产物花生壳和医药废弃物中药渣为原料，通过不同热解温度（300~600°C）制备生物炭，表征了不同热解温度生物炭的物理化学性质，分析了热解温度与生物炭特性间的内在联系。针对我国部分区域的水体和土壤重金属铅污染问题，探究了花生壳生物炭和中药渣生物炭对溶液中铅的吸附过程、吸附速率以及吸附能力，阐明了生物炭对铅的吸附机制并且计算出各个机制对总吸附的贡献。通过综合考虑生物炭制备成本、物理化学性质及生物炭对铅的吸附能力，筛选出适宜生物炭。将筛选出的生物炭添加到铅污染土壤中，研究生物炭对土壤中铅的固持效果印度芥菜的生长和植株对铅的富集状况，以及植物根系生长对土壤中铅存在形态的影响。这些研究结果为建立经济、环保、高效的重金属污染土壤的生物炭原位修复技术体系提供了重要的理论依据。在构建生物质综合开发利用模式，最终实现向低能耗、低污染、低排放的可持续发展经济模式的成功转变方面具有重要意义。主要研究结果如下：（1）选择山东省典型的农业残余物花生壳以及有可观产量的中药渣（黄精等混合物）为原料制备生物炭，研究热解温度对生物炭基本物化特性的影响。研究结果表明：随着热解温度的升高，花生壳和中药渣的热解程度逐渐增加，生物炭的产率不断降低；碳（C）含量增加，氢（H）、氧（O）和氮（N）含量减少；pH和灰分含量增加；表面总酸性官能团种类减少、数量降低；多环、杂环的芳香类化合物不断形成，芳香性增加；孔隙结构不断发展，比表面积增加；无机元素（K、Ca、Mg、P和S）在热解中累积下来含量增加，但可溶出的Ca2+、Mg2+和PO43-含量降低。（2）随着溶液pH值的增加（pH:2~5），生物炭对Pb2+的吸附逐渐增加，在pH为6时，部分生物炭对Pb2+的吸附量出现降低。生物炭对Pb2+的最佳吸附pH为5。（3）动力学研究结果表明：生物炭对Pb2+的吸附可分为快吸附和慢吸附两个阶段。生物炭中酸性官能团种类、含量以及矿物组分形态、含量可能是影响快吸附和慢吸附分布比例和速率的关键因素。生物炭对Pb2+的吸附过程包括以下三个方面：溶液中Pb2+经膜扩散到达生物炭表面；Pb2+吸附于生物炭外层表面的活性位点；Pb2+经孔隙扩散到生物炭孔内的吸附位点，发生吸附。生物炭对Pb2+的吸附速率受膜扩散、孔扩散和络合、沉淀等化学反应的控制。（4）吸附等温线结果表明：不同热解温度生物炭对Pb2+的吸附具有很强的异质性，低温花生壳生物炭（≤400°C）对Pb2+具有更强的吸附能力，而高温中药渣生物炭（≥500°C）对Pb2+的吸附能力则超过低温中药渣生物炭。然而，在高浓度的Pb2+溶液中（Ce≥1000mg L-1），MBC400对Pb2+吸附量超过了MBC500和MBC600，具有更强的吸附能力。（5）生物炭对溶液中Pb2+的吸附由多种化学作用共同决定，其吸附机制主要包括：含氧官能团络合作用、Pb2+-π作用和共沉淀作用。生物炭中矿物组分与Pb2+的共沉淀作用是生物炭吸附Pb2+的主要机制。随热解温度的升高，含氧官能团络合作用对生物炭吸附Pb2+的贡献减小，而Pb2+-π作用的贡献则逐渐增加。共沉淀作用对总吸附的贡献受生物炭中矿物种类和存在形态影响显著，高温生物炭（≥500°C）中矿物组分的结晶化抑制了共沉淀作用对吸附的贡献。（6）铅污染土壤中施加BC400后，土壤pH值显著增加，越高的生物炭添加量（5%）引起的土壤pH值上升幅度越大。BC400的施加显著降低了铅污染土壤的NH4NO3浸提态铅含量，减少量与BC400的添加量有关。铅污染土壤中施加BC400后，印度芥菜的株高和叶面积明显改善。低铅污染（200mg kg-1）高添加量（5%）时，生物炭对印度芥菜生物量的促进作用明显，特别是地下部生物量；较高铅污染（1000mg kg-1）低添加量（1%）时，生物炭对印度芥菜的生长无显著性促进作用。铅污染土壤中施加BC400后，印度芥菜地上部和地下部铅含量均显著降低。在BC400修复后的铅污染土壤中，印度芥菜根系附着的根际土壤pH值小于非根际土壤的。低铅污染土壤（200mg kg-1）中BC4001%和5%的添加处理下，根际土壤的NH4NO3浸提态铅含量与非根际的无显著性差异。而较高铅污染程度（1000mg kg-1）下，BC400修复后的根际土壤NH4NO3浸提态铅含量明显大于非根际，说明印度芥菜根系可能对生物炭固持的铅产生活化作用。
【学位单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X53;X53
【部分图文】：

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图 1-1 我国铅污染分布示意图Fig. 1-1 The schematic diagram of Pb distribution in Chi于铅矿开采冶炼企业、蓄电池制造企业等违规铅废渣，导致铅污染事件频发，致使儿童甚至出了 2008~2013 年我国发生的铅污染事件和血铅超标案例超过 5500 例。频发的污染事件、惊到了重金属铅污染的严重危害性。因此，开展水修复工作是一项十分紧迫而又艰巨的任务。

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图 1-1 我国铅污染分布示意图Fig. 1-1 The schematic diagram of Pb distribution in China由于铅矿开采冶炼企业、蓄电池制造企业等违规排放含含铅废渣，导致铅污染事件频发，致使儿童甚至成人血注出了 2008~2013 年我国发生的铅污染事件和血铅超标血铅超标案例超过 5500 例。频发的污染事件、惊人的受受到了重金属铅污染的严重危害性。因此，开展水体和土和修复工作是一项十分紧迫而又艰巨的任务。

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图 1-3 亚马逊黑土和邻近土壤Fig. 1-3 Amazon black soil and adjacent soil，生物炭（Biochar）受国外研究工作者的关注度越来越高，科研期刊、会议以及报纸杂志等媒体的报道中。Biochar 是 bio第一届国际生物炭会议得到统一的命名。简而言之，生物炭是限氧或者厌氧的条件下，在较高温度（< 700 °C）中热解生成

【参考文献】