生物炭的制备及对土壤重金属吸附特性研究

发布时间：2017-06-13 03:10

  本文关键词：生物炭的制备及对土壤重金属吸附特性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：土壤重金属污染得到了世界各国研究者的广泛关注。生物炭是通过热化学处理方法制备的高比表面积富碳固体。生物炭土壤修复技术是通过向土壤中施加生物炭、利用生物炭吸附作用促使土壤中重金属从有效态向残渣态转变的方法。该技术在固碳减排方面具有独特的优势,是极具发展前景的土壤重金属修复技术之一。目前该技术尚处于研发起步阶段。本文通过实验,开展了生物质炭制备及其对土壤重金属(Pb和Zn)吸附性能的研究,论文主要工作和结论如下：以杨树枝(PB)、水葫芦(WH)和玉米秸秆(CS)等三种生物质为原料,利用固定床热解实验装置制备了生物炭,采用扫描电镜(SEM-EDS)、比表面积及孔隙结构分析、电感耦合等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES)、X射线衍射仪(XRD)以及傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)等测试手段对不同种类的生物炭进行了分析与表征,明确了热解温度对生物质焦理化结构的影响。结果表明：随着热解温度的增加,生物炭的微观孔隙结构均发生显著的改变,700℃热解温度下制备的杨树枝炭表现出最佳的孔隙结构。随着热解温度的升高,生物炭中K、Ca和Mg等元素含量逐渐增加,水葫芦炭具有较高的阳离子交换量(CEC)。随着热解温度的增加,生物炭表面官能团的种类和数量逐渐越少,水葫芦炭在高温下仍能保留较多的官能团数量和较强的吸收峰强度。利用土壤重金属吸附实验系统,研究了生物炭种类、热解温度和添加量等因素对土壤和溶液中重金属(Pb和Zn)离子的吸附性能。结果表明：在相同热解温度和生物炭添加量的条件下,水葫芦炭对土壤重金属吸附性能最佳,其对土壤中Zn和Pb的吸附率分别为21.83%和44.57%,相应的单位吸附量分别为227.65μg/g和363.76μg/g。随着热解温度升高,生物炭对土壤中Zn和Pb的吸附率逐渐增大。随着添加量增加,杨树枝炭对土壤中Zn和Pb的吸附率呈现先增大后减小的趋势,水葫芦炭对土壤中Zn和Pb的吸附率逐渐增大,单位吸附量逐渐减小。不同生物炭均对溶液中Pb和Zn离子具有良好的吸附能力,其中Pb吸附率接近100%。利用生命周期评价方法(LCA)对生物炭土壤利用的各个生命周期阶段的温室气体减排情况进行评估。结果表明,三种生物质均表现了积极的固碳减排效果。其温室气体减排值分别为1196.78、1068.81和1272.03 kgC02e/t。生物炭的碳封存对整个生命周期的缓解温室气体排放贡献最大,生物炭的田间施用过程排放的温室气体最多。以提高作物产量10%为基准,生物炭施加到土壤中可以产生收益30.21～348.28元庙,其中蔬菜产生的收益最多,达到348.28元/亩。以土壤重金属吸附率20%为基准,生物炭施加到土壤中可以减少土壤重金属(Pb和Zn)污染经济损失量,其值最高可达237万元/年。
【关键词】：生物质 生物炭 土壤 重金属 吸附性能 经济性分析
【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X53
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-22
• 1.1 课题研究的背景9-11
• 1.1.1 土壤重金属污染现状9-10
• 1.1.2 生物质资源利用技术现状10-11
• 1.2 土壤重金属修复技术的研究现状11-14
• 1.2.1 土壤重金属的常规修复技术11-13
• 1.2.2 生物炭修复土壤重金属技术13
• 1.2.3 土壤重金属污染测定方法13-14
• 1.3 生物炭制备及其对土壤重金属吸附性能的研究现状14-18
• 1.3.1 生物质炭的制备14-15
• 1.3.2 生物炭对土壤重金属吸附性能15-18
• 1.4 生物炭土壤重金属修复的技术经济性分析18-20
• 1.4.1 固碳减排效益18-19
• 1.4.2 作物增产效益19
• 1.4.3 土壤重金属污染经济损失分析19-20
• 1.5 本文的研究目标和研究内容20-21
• 1.5.1 研究目标20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 1.6 本章小结21-22
• 第2章 实验装置和方法22-29
• 2.1 生物炭的制备22-24
• 2.1.1 实验装置22-23
• 2.1.2 实验方法与步骤23-24
• 2.2 土壤重金属吸附实验系统与方法24-26
• 2.2.1 实验试剂及仪器24
• 2.2.2 实验系统24-25
• 2.2.3 实验方法与步骤25-26
• 2.3 主要测试仪器及方法26-27
• 2.3.1 扫描电镜(SEM)26
• 2.3.2 比表面积及孔隙度分析仪26
• 2.3.3 X射线衍射仪(XRD)26
• 2.3.4 电感耦合等离子体原子发射光谱分析仪(ICP-AES)26-27
• 2.3.5 傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)27
• 2.4 土壤重金属吸附性能评价方法27-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第3章 热解条件对生物炭理化特性的影响29-41
• 3.1 生物炭的命名规则29
• 3.2 生物质原料的分析29-31
• 3.2.1 工业分析、元素分析和热值的测定29-30
• 3.2.2 比表面积及孔隙结构分析30-31
• 3.2.3 扫描电镜(SEM)分析31
• 3.3 生物炭的理化特性分析31-39
• 3.3.1 工业分析、元素分析和热值的测定31-33
• 3.3.2 生物质热解炭化产物分布33-34
• 3.3.3 比表面积及孔隙结构分析34-36
• 3.3.4 扫描电镜(SEM)分析36-37
• 3.3.5 X射线衍射分析37
• 3.3.6 红外光谱(FTIR)分析37-39
• 3.4 本章小结39-41
• 第4章 生物炭对土壤重金属吸附性能的实验研究41-51
• 4.1 引言41
• 4.2 实验条件41
• 4.3 土壤重金属全量的测定及空白实验41-43
• 4.4 实验结果与分析43-49
• 4.4.1 生物炭对土壤重金属吸附特性的影响43-47
• 4.4.2 活性炭对土壤重金属吸附特性的影响47-48
• 4.4.3 生物炭及活性炭对溶液重金属吸附特性的影响48-49
• 4.5 物炭修复土壤重金属作用机理49
• 4.6 本章小结49-51
• 第5章 生物炭土壤利用的技术经济性分析51-59
• 5.1 引言51
• 5.2 固碳减排分析51-56
• 5.2.1 评估方法和模型建立51-52
• 5.2.2 过程参数取值和假设52-55
• 5.2.3 结果与讨论55-56
• 5.3 作物增产分析56
• 5.4 土壤重金属污染经济损失分析56-58
• 5.5 本章小结58-59
• 第6章 全文总结与建议59-61
• 6.1 全文总结59-60
• 6.2 建议60-61
• 参考文献61-67
• 在读期间发表的学术论文及研究成果67-68
• 致谢68

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