改性硅酸钙对Cd2+的吸附性能及其对Cd污染土壤的修复潜力

通过吸附-解吸实验和土柱淋溶实验,研究了改性硅酸钙对镉(Cd~(2+))的吸附性能及对Cd污染土壤的钝化效果。结果表明,改性硅酸钙对Cd~(2+)有较强的吸附能力,其吸附平衡时间在60 min左右,对溶液pH有较宽的适应范围,且当pH呈中性时,对Cd~(2+)的吸附效果最好。由Langmuir模型拟合结果可知,改性硅酸钙对Cd~(2+)的饱和吸附容量可达441.55 mg·g-1。改性硅酸钙对Cd~(2+)有较好的吸附稳定性,适合用于Cd污染土壤的修复。土柱淋溶实验表明,改性硅酸钙对Cd污染土壤的钝化效果明显,不仅降低淋溶液Cd~(2+)含量,使淋溶液Cd~(2+)累积量显著降低47.01%,还使土壤CaCl2-Cd浓度显著降低94.4%,并促使土壤易溶态Cd向难溶态Cd转变。     

改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd~(2+)的吸附

对玉米秸秆和花生壳炭化制备的生物炭,运用高锰酸钾进行改性,研究其对Cd~(2+)的吸附效果。通过批次吸附实验,考察了两种改性生物炭对Cd~(2+)吸附的初始浓度、pH值、接触时间等因素的影响。结果表明,在pH为6.0,Cd~(2+)浓度为100 mg·L~(-1),温度为20℃,吸附时间为12 h,吸附剂投加量为1.0 g·L~(-1)条件下,改性玉米秸秆炭和花生壳炭对Cd~(2+)的去除率分别为67.03%和46.10%,与未改性的生物炭相比,吸附率分别提高了3.8倍和6.2倍。改性玉米秸秆炭和花生壳炭对溶液中Cd~(2+)的吸附均符合Langmuir和Freundlich等温吸附模型,最大吸附量分别为68.97和55.55 mg·g-1。两种改性生物炭的吸附行为均符合准二级吸附动力学模型,说明其吸附以化学吸附为主。改性玉米秸秆炭和花生壳炭吸附Cd~(2+)后,可用NaOH溶液进行解吸,解吸4次后,对Cd~(2+)仍有较好的吸附效果,吸附量分别为31.40和24.10 mg·g~(-1)。这说明,高锰酸钾改性玉米秸秆炭和花生壳炭是一种吸附性能高且能够重复利用的去除溶液中Cd~(2+)的吸附材料。     

垫料生物炭对Cd~(2+)的吸附性能

以发酵床废弃垫料和秸秆为原料,采用限氧热解法制备不同温度(300、400和500℃)下的垫料生物炭(D300、D400和D500)和秸秆生物炭(S300、S400和S500),通过X-ray能谱仪、扫描电镜、傅里叶变换红外光谱仪等手段表征其物理化学性质,研究不同吸附时间、Cd~(2+)浓度和初始pH下垫料生物炭对Cd~(2+)的吸附性能,并与秸秆生物炭进行比较。结果表明,D300和D400的吸附过程较符合准二级动力学模型,D500的吸附过程更符合颗粒内扩散模型,吸附时间以30 h为宜;垫料生物炭对Cd~(2+)的等温吸附实验更符合Freundlich模型,400℃制备的垫料生物炭对Cd~(2+)的吸附效果最好;D300和D400对Cd~(2+)的吸附能力受pH的影响较大,D500对Cd~(2+)的吸附能力受pH的影响较小,pH在4.5~7.5之间吸附效果较好。秸秆生物炭吸附Cd~(2+)到表观平衡所用的时间在20 h左右,而最大吸附量比垫料生物炭多2.727 mg·g-1。     

钝化材料复配对土壤Cd生物有效性的影响

为了得到效果好的复配钝化材料,采用正交设计,通过培养实验探讨生物炭、粉煤灰、汉白玉3种钝化材料不同复配方式对土壤pH的影响和对镉(Cd)的钝化效果,从中筛选出6种效果较好的复配方式,并以小白菜为供试植物,通过盆栽实验和大田实验探讨了钝化材料复配对土壤Cd生物有效性的影响。结果表明:3种钝化材料不同复配方式均能显著提高土壤pH,降低土壤有效Cd含量,统计分析发现钝化材料复配过程中对Cd降幅的影响表现为汉白玉粉煤灰生物炭。钝化材料添加后,盆栽和大田条件下小白菜可食部位Cd含量均显著降低,综合2种实验条件下小白菜生物量和可食部位Cd含量的变化,1.5%生物炭+1.5%粉煤灰+0.5%汉白玉、1%生物炭+0.5%粉煤灰+1%汉白玉2种复配方式效果最好。     

海藻酸钠-改性碳纤维复合材料对水中Cd~(2+)的吸附研究

采用海藻酸钠与改性聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)制作复合材料吸附去除水溶液中的Cd~(2+),考察不同吸附时间和溶液pH对Cd~(2+)吸附效果的影响。结果表明,改性后PAN-CF的表面官能团增加,表面能提高,相比于未改性PAN-CF制备的复合材料,改性PAN-CF能够缩短复合材料对Cd~(2+)的饱和吸附时间,增加Cd~(2+)饱和吸附量,随着溶液pH的升高,复合材料对Cd~(2+)的吸附量呈先增加后下降的趋势,pH=6时Cd~(2+)的吸附量最大,为162.8mg/g。     

不同热解温度污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附特性

采用剩余污泥为原料,分别于300、400、500℃缺氧条件下制备污泥生物炭,利用X射线能谱仪(EDS)、环境扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)对其进行表征,并探究不同吸附时间,不同pH和不同Pb~(2+)、Cd~(2+)浓度下污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附特性,以期拓展污泥资源化利用途径。结果表明,准二级动力学方程能更好地描述污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附过程,约30 h达到平衡,其吸附主要受化学吸附控制。随溶液初始pH的升高,重金属的吸附量呈先增高后降低趋势,在pH 4.5时对Pb~(2+)的吸附量最大,而Cd~(2+)在pH 6.5时最大。在25℃时,低温热解制备的污泥生物炭对Pb~(2+)、Cd~(2+)的吸附量为RC500RC400RC300,RC500的饱和吸附量分别为Pb~(2+)(14.39 mg·g~(-1))Cd~(2+)(1.45 mg·g~(-1)),污泥生物炭对重金属离子的吸附量与其水合离子半径呈负相关。     

淹水条件下蚕沙复配材料对酸性水稻土中镉铅钝化的影响

通过室内淹水土培实验,研究蚕沙配施蚕沙炭、膨润土、腐殖质钾和泥炭对酸性水稻土中镉(Cd)、铅(Pb)的钝化效果,从土壤pH、有机质、有效态Fe、Mn含量变化初步探析蚕沙复配材料对镉、铅的钝化机制。结果表明,蚕沙复配材料均不同程度地提高了土壤pH和有机质含量,有效态Cd、Pb的含量随着淹水时间的延长都有不同程度的降低。培养28d后,与对照相比,添加了蚕沙+蚕沙炭(CB)、蚕沙+腐殖质钾(CF)、蚕沙+蚕沙炭+腐殖质钾(CBF)、蚕沙+泥炭(CN)处理的土壤有效态Cd分别降低了16.07%、15.51%、11.08%、7.76%,有效态Pb则降低了32.54%、27.12%、37.72%、42.31%。其中蚕沙+蚕沙炭(CB)对镉的钝化效果最好,蚕沙+泥炭(CN)处理对铅的钝化效果最好,综合来看,CB和CN处理同时对镉铅有很好的钝化效果,可以作为镉铅复合污染土壤的修复材料。相关分析结果显示,土壤的pH、有机质与有效态Cd、Pb含量均呈显著负相关关系,表明蚕沙复配材料对土壤中镉、铅的钝化作用可以通过提高土壤的pH、有机质含量来实现。     

磷酸改性纳米黑碳的制备及对Cd的吸附研究

为提高纳米黑碳(BC)对Cd的吸附钝化效果,以磷酸为改性剂对BC进行改性,通过单因素实验探究不同改性条件对吸附性能的影响,分别改变磷酸浓度、反应温度、反应时间3个要因素,以Cd~(2+)污染模拟水样为研究对象,确定最佳改性参数,同时使用Zeta电位仪、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪对磷酸改性纳米黑碳(MBC)进行表征,并且通过吸附等温线和吸附动力学实验研究MBC对于Cd~(2+)的吸附过程。研究结果表明,MBC改性最佳条件为2mol/L磷酸55℃水浴加热1.0h。吸附在20min后达到平衡,对Cd~(2+)的最大吸附量为345.329mmol/kg,为优惠吸附,等温吸附拟合更符合Langmuir方程。MBC表面孔隙度、比表面积、结晶度以及表面电荷数较改性前均明显增加,对Cd~(2+)有很强的吸附能力,适用于Cd污染治理。     

不同热解温度下污泥基生物炭的性质及对Cd~(2+)的吸附特性

以市政污泥为原料,在300、500和700℃无氧气氛下热解制备污泥基生物炭,探讨不同热解温度对污泥基生物炭性质的影响,研究污泥基生物炭对水溶液中重金属Cd~(2+)的吸附特性。结果表明,随着热解温度升高,污泥基生物炭的产率降低,pH值增大,碳、氢、氧和氮含量降低,芳香化程度增强,亲水性和极性降低,稳定性增强;随热解温度的升高,比表面积不断增大,生物炭表面变得粗糙并且出现明显的孔隙,但平均孔径呈现先增大后减小。在700℃下制备的污泥基生物炭对水溶液中Cd~(2+)的吸附效果优于其他制备温度下获得的生物炭,温度为298.15 K时,最大吸附容量为27.47 mg·g~(-1)。污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附动力学符合准二级动力学方程模型,吸附速率主要由化学吸附控制。污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附表现为快速吸附过程,生物炭前10 min的吸附量超过饱和吸附量的80%。Langmuir吸附等温模型能很好的描述污泥基生物炭对Cd~(2+)的吸附行为,吸附容量随热解温度升高而增大。     

生物炭复配磷酸盐对Pb-Cd污染土壤原位钝化修复的研究

采用小区试验方法,选取生物炭、磷酸盐及两者复配材料作为钝化剂原位修复工业遗留场地Pb-Cd污染土壤,通过毒性浸出方法(TCLP)以及欧共体标准物质局(BCR)连续提取法分析钝化修复效果,以期获取最优化的钝化修复方法。结果表明,生物炭、磷酸盐及两者复配材料均能够有效降低土壤Pb、Cd的生物有效性和迁移能力。生物炭能提高土壤pH,使TCLP提取态Pb、Cd分别降低56.26%和83.54%,生物炭能促进重金属沉淀的形成进而提升残渣态Pb、Cd比例;磷酸盐主要通过矿物沉淀作用促使重金属由弱结合态向强结合态方向的转化,使TCLP提取态Pb、Cd分别降低70.66%、89.94%,残渣态Pb、Cd比例显著提升,进而有效降低Pb、Cd的生物有效性和迁移能力。生物炭和磷酸盐复配材料相比单一钝化剂材料未表现出协同作用,但复配材料在保证钝化修复效果的前提下,能补偿酸性磷酸盐造成的土壤酸化,在修复实践中更具应用优势。     

磷改性生物炭对Pb、Cd复合污染土壤的钝化效果

中国存在着较大面积受重金属污染土壤,尤其是Pb、Cd两种重金属的复合污染较常见。利用磷改性生物炭对Pb、Cd复合污染土壤展开修复研究。结果表明:(1)磷改性生物炭可使土壤中Pb、Cd由弱酸提取态向可氧化态、残渣态转变,Pb的可氧化态和残渣态分别增加了19.4、16.9百分点,Cd的可氧化态、残渣态分别增加了17.4、9.9百分点;(2)磷改性生物炭可提高土壤有效磷,有效磷最终稳定在39 mg/kg左右;(3)磷改性生物炭能显著增加土壤阳离子交换量至19.3 cmol/kg。磷改性生物炭不仅能有效钝化重金属,还能有效改善土壤质量。     

生物炭对Cd污染土壤的修复效果与机理

通过修复培养实验和BCR连续提取实验研究牛粪生物炭(DM)和水稻秸秆生物炭(RS)对2种镉污染土壤的修复效果、影响因素及修复后的Cd的形态分布,探讨可能存在的修复机理。经56 d修复后,与CK相比,5%添加量的牛粪生物炭(DM5%)和水稻秸秆生物炭(RS5%)使TCLP提取态Cd在S1土壤中分别降低了15%和18%,在S2土壤中分别降低了5%和6%。但生物炭添加量为1%时对S2土壤中Cd无显著修复效果。DM5%和RS5%处理使Cd的酸可溶态在S1土壤中降低8.66%和9.25%,在S2土壤中降低7.86%和13.4%,相应的残渣态在S1土壤中升高8.30%和10.54%,在S2土壤中升高8.67%和14.92%。同时,DM5%和RS5%处理使土壤p H提高了7.69%~13.13%,TCLP提取态P增高了0.046~0.39 mg·g~(-1)。结果表明,添加量为5%的牛粪生物炭和秸秆生物炭可有效修复Cd污染土壤。     

草炭对Cd~(2+)的吸附及其用于Cd污染土壤修复的实验研究

通过室内模拟实验研究了草炭对Cd2+的典型吸附特征,以及添加草炭对Cd污染土壤中其浸出毒性和存在形态的影响。结果表明,溶液pH为3~6时,草炭对Cd2+的吸附量随着pH升高而增加,pH为6~8时草炭对Cd2+的吸附量趋于平稳;当溶液体系Cd2+初始质量浓度不超过800mg/L时,草炭对Cd2+的吸附未达到平衡,其吸附率随Cd2+初始浓度的增大而由98.60%降低至88.53%;草炭对Cd2+的等温吸附行为可用Langmuir、Freundlich方程拟合,r均达到极显著水平;添加草炭能降低轻污染(总Cd为3.0mg/kg)土样中Cd2+浸出量,Cd2+钝化率随草炭添加量增加而增加;相对较低(1%~2%,质量分数,下同)的草炭添加量对重污染(总Cd为6.0mg/kg)土样中的Cd2+表现出活化效果,导致Cd2+浸出量增加;但较高(4%)的草炭添加量下,重污染土样中Cd2+的钝化率要明显大于轻污染土样;添加草炭能影响土样中Cd的存在形态。在2种污染程度的土样中添加草炭后,有效态、无机结合态和残留态Cd所占比例均降低,而有机结合态Cd所占比例均增加。     

改性谷壳生物炭负载磁性Fe去除废水中Pb~(2+)的效果及机制

将谷売生物炭用酸改性后负载磁性Fe_3O_4,得到一种新的吸附材料(BC~Fe)。通过单因素吸附实验,研究了时间、pH、添加量、浓度以及温度等参数对BCTe吸附废水中Pb~(2+)的影响,并对其进行比表面积及傅里叶红外光谱分析,探讨该磁性生物炭对Pb~(2+)的吸附机理。结果表明对Pb~(2+)的吸附能在2 h内基本达到平衡。在Pb~(2+)溶液初始浓度为100mg·L~(-1),pH=5.0温度为25℃,分別添加0.1g和0.15 g的BC-Fe于50 mL Pb~(2+)溶液中,单位质量的BC-Fe对溶液中Pb~(2+)的吸附量分别为40.6 mg·g~(-1)和33.2 mg·g~(-1)去除率分别为81.3%和99.9%。该吸附过程符合拟二级动力学模型,理论平衡吸附量为43.9 mg·g~(-1)。用Langmuir等温吸附方程能够很好地描述其吸附行为;热力学研究表明对Pb~(2+)的吸附过程是自发的吸热过程。     

热解条件对茶叶渣生物炭特性及镉污染土壤钝化效果的影响

以泡饮过的废弃茶叶为实验原料,通过不同热解温度(300、400、500和600℃)和热解时间(1 h和2 h)制备生物炭,探讨不同热解条件对茶叶渣生物炭(TSBC)的特性及其对镉(Cd)污染土壤钝化效果的影响。结果表明:热解温度的升高可明显增加TSBC的p H和比表面积,降低生物炭的产率、电导率和表面官能团的数量,使TSBC具有弱碱性、较大比表面积和较强的稳定性,对改良酸性土壤和吸附重金属存在一定潜力;而热解时间对其特性没有明显差异,与对照组相比,添加TSBC明显增加了Cd污染土壤的p H、有机碳(SOC)和可溶性有机碳(DOC)含量,但随着制备温度的升高,Cd污染土壤中SOC和DOC增加幅度逐渐降低。添加TSBC显著降低Cd污染土壤中可交换态镉的比例,当热解温度为500~600℃时降幅最显著,其下降比例与对照相比最高可达25.56%;残渣态镉比对照增加了0.88~1.18倍。因此,TSBC对镉污染土壤有较好的钝化效果,这为重金属污染土壤的修复和生活废弃物的资源化利用提供了理论依据。     

玉米秸秆基改性生物质活性炭对Cd的吸附特性

以玉米秸秆为原料,制备了生物质活性炭(以下简称生物炭),用HNO_3、NaOH、沸水、四氢呋喃(THF)对其进行改性,并比较了不同生物炭对Cd的吸附特性,对沸水和THF滤液进行了光谱分析,结果显示:随着Cd初始浓度的增加,玉米秸秆基生物炭及改性产物对Cd的吸附量大体增强;Cd初始质量浓度超过25.0 mg/L时,吸附量表现为碱改性生物炭未改性生物炭THF改性生物炭沸水改性生物炭酸改性生物炭。NaOH通过改变玉米秸秆基生物炭表面官能团和元素构成,增强了其吸附能力。HNO_3使玉米秸秆基生物炭孔隙带正电荷,从而抑制了对Cd的吸附。沸水和THF从玉米秸秆基生物炭孔隙中溶出了有利于吸附反应的部分表面官能团,从而降低了其对Cd的吸附能力。随着Cd初始浓度增加,玉米秸秆基生物炭对Cd的吸附量大体增加,滤液pH大体降低。用玉米秸秆基生物炭处理污水中的Cd时,建议用碱改性法来提高其吸附能力。     

氧化镁、生物炭与钙镁磷肥对Cd污染农田土壤的协同钝化修复

基于西南地区某实际Cd污染农田土壤探究3种修复材料(氧化镁、生物炭与钙镁磷肥)单独及联合使用对Cd的钝化效果，重点探究材料联合使用时投加比、养护时间、养护方式以及养护含水率对Cd污染农田土壤钝化修复效果的影响。结果表明，氧化镁、生物炭与钙镁磷肥联合使用对农田土壤中有效态Cd的钝化修复效果较3种材料分别单独使用更显著。3种材料联合使用(以质量比1∶1∶1配制)投加比(以质量分数计)为0.5%,采用密闭养护方式养护5 d且养护含水率为60%,该实际农田土壤中有效态Cd含量降低了42.1%,远超出一般农田修复与风险管控项目对有效态Cd降低10%～30%的修复目标要求。     

污泥生物炭对土壤中Pb和Cd的生物有效性的影响

以污泥为原料,在500℃缺氧条件下制备污泥生物炭,结合X射线能谱(EDS)、环境扫描电镜(SEM)和红外光谱(FTIR)等表征手段,分析添加污泥生物炭后污染土壤pH和Pb与Cd化学形态的变化来探究污泥生物炭对土壤中Pb、Cd的固定效果,并用盆栽方式评估添加污泥生物炭对小青菜生物量及体内重金属含量的影响。结果表明:添加污泥生物炭后,污染土壤的pH随平衡时间的延长显著升高;对于单一污染土壤和复合污染土壤,污泥生物炭对Pb和Cd均有较强的固定作用,而污泥生物炭在复合污染土壤中对Pb的固定效果优于在单一污染土壤中;添加污泥生物炭能提高小青菜的生物量,且能有效降低小青菜对污染土壤中Pb和Cd的吸收。     

CaCl_2改性生物炭的制备及其对Pb~(2+)的吸附作用

以柳木屑和花生壳为原料,采用预浸渍—热解法制备原始柳木屑生物炭(FMC)、原始花生壳生物炭(PSC)、CaCl_2改性的柳木屑生物炭(Ca-FMC)和CaCl_2改性的花生壳生物炭(Ca-PSC)。在对生物炭的结构和组成进行表征的基础上,研究了CaCl_2改性和pH对生物炭吸附Pb~(2+)的影响,并研究了Ca-FMC和Ca-PSC吸附Pb~(2+)的吸附等温模型和动力学过程。结果表明,CaCl_2改性可显著提高原始生物炭对Pb~(2+)的吸附能力。Ca-FMC和Ca-PSC对Pb~(2+)的吸附符合Langmuir吸附等温模型,饱和吸附量可分别达到54.32、32.80mg/g。Ca-FMC和Ca-PSC对Pb~(2+)的吸附动力学过程遵循准二级动力学方程,准二级动力学速率常数分别为0.01、0.03g/(mg·h)。     

牛粪生物炭对Cd~(2+)的吸附影响因素及特性

为了考察以牛粪为原料制备的生物炭对水溶液中Cd2+的吸附效果,进行了吸附影响因素、吸附等温线和动力学研究。结果表明,当热解温度为700℃、投加量为20 g/L、溶液初始pH为5、水溶液Cd2+初始浓度为10 mg/L、吸附平衡时间为60 min和溶液温度为25℃时,对Cd2+的吸附效果最佳,Cd2+去除率可达99%以上。提高溶液温度有利于吸附。降低生物炭热解温度和投加量对吸附效果影响不大。Langmuir方程能更好地拟合生物炭对Cd2+的吸附等温过程,吸附过程符合准二级动力学方程。牛粪生物炭是性能优良、价格经济的水溶液中Cd2+的吸附剂。