紫外辐照改性生物炭对土壤中Cd的稳定化效果

以废椰子壳为原料制备生物炭,采用365 nm紫外光辐照改性生物炭,探究改性生物炭对土壤中Cd的钝化效果。通过改性生物炭对溶液中Cd~(2+)的等温吸附实验表明,经过16 h辐照后的生物炭吸附效果最好,对溶液中Cd~(2+)的吸附量可达67.46 mg·kg~(-1)。通过添加不同生物炭含量(0、1%、3%、5%和10%)对土壤中Cd的修复实验发现,生物炭的添加可以提高酸性土壤的pH值,但经紫外辐照改性后的生物炭对pH值改变能力不如未改性生物炭。此外,生物炭的添加可使土壤中弱酸提取态和可还原态Cd向可氧化态转化,紫外辐照改性可显著提高这一能力。改性生物炭对土壤中Cd的钝化与表面含氧官能团有关。     

生物炭对邻苯二甲酸二甲酯在土壤中自然降解和吸附行为的影响

为了解生物炭应用于邻苯二甲酸酯污染土壤修复的可行性,选择邻苯二甲酸二甲酯作为目标污染物,以花生壳为原料制备生物炭,通过室内模拟试验研究生物炭对邻苯二甲酸二甲酯在土壤中自然降解和吸附行为的影响。结果表明,未添加与添加生物炭土壤中邻苯二甲酸二甲酯的自然降解过程均遵循一级动力学方程,生物炭含量0.5%和1.0%的土壤中邻苯二甲酸二甲酯的半衰期分别延长2.185 d和4.151 d,表明添加生物炭会不同程度地延缓土壤中邻苯二甲酸二甲酯的自然降解;在不同的生物炭含量水平下,土壤对邻苯二甲酸二甲酯的吸附均能很好地符合Freundlich方程所描述的规律,生物炭含量0.1%、0.5%和1.0%土壤的吸附常数Kf分别为35.647、45.830和57.649,显著高于对照土壤(7.793),表明土壤对邻苯二甲酸二甲酯的吸附作用随生物炭含量增加而显著增强。     

椰纤维生物炭添加对海南花岗岩砖红壤吸附Pb(Ⅱ)的影响

海南花岗岩砖红壤与300、500和700℃3种不同裂解温度下的椰纤维生物炭(分别记为YA300、YA500和YA700)混合培养30 d,进行批量等温吸附和解吸实验,研究不同裂解温度椰纤维生物炭添加对土壤吸附Pb(Ⅱ)性能的影响和机理,为生物炭对重金属污染土壤修复的研究提供理论依据。采用Langmuir和Freundlich吸附模型分析处理土壤对Pb(Ⅱ)的吸附差异,用吸附和解吸量推算方法研究处理土壤对Pb(Ⅱ)的静电吸附和非静电吸附差异。结果表明:经过30d的培养,椰纤维生物炭的添加显著提高了土壤的p H值和阳离子交换量(CEC值),提升幅度为YA700、YA500、YA300;生物炭的添加也提高了处理土壤对Pb(Ⅱ)的吸附能力,同时也提高了土壤对Pb(Ⅱ)的非静电吸附,提升幅度也为YA700、YA500、YA300;Langmuir模型可以更好地拟合处理添加YA300、YA500土壤和对照土壤对Pb(Ⅱ)的等温吸附。基础土壤对Pb(Ⅱ)的最大吸附量为3.53 mg·g-1,添加YA300、YA500和YA700培养后土壤对Pb(Ⅱ)的最大吸附量分别增加为4.49、4.92和6.03 mg·g-1。由于基础土壤的p H值和CEC值较低,椰纤维生物炭添加培养主要提高了处理土壤的p H值、CEC值以及土壤的负表面电荷,增强了土壤对Pb(Ⅱ)的吸附能力和非静电吸附百分比,从而降低Pb(Ⅱ)在土壤中的活性。     

生物炭对土壤吸附邻苯二甲酸二乙酯的影响

选择花生壳为原材料,采用限氧升温法在450、700℃温度下分别热解2、4、6 h制备6种生物炭,在对其表面性质和元素组成进行分析的基础上,重点考察生物炭对土壤吸附邻苯二甲酸二乙酯(diethyl phthalate,DEP)的影响。结果表明:生物炭的比表面积和总孔体积随着热解温度的升高而增加,热解时间的延长也会提高比表面积和总孔体积,而4 h是较为适宜的热解时间;生物炭中元素组成主要受热解温度的影响,热解时间的作用很小,热解温度的升高使生物炭的芳香性增强,极性降低;添加生物炭能显著提高土壤对DEP的吸附能力;Langmuir模型和Freundlich模型均能较好地拟合添加生物炭土壤对DEP的吸附特征;在不同的平衡浓度条件下,生物炭对土壤吸附DEP的贡献率介于82.07%~99.49%之间,表明生物炭对土壤中DEP的吸附发挥着主导作用。相关分析发现,吸附参数ΔKoc与生物炭的比表面积和总孔体积具有显著相关性,提高比表面积和改善孔隙结构可以增强生物炭对DEP的吸附能力。     

玉米芯生物炭对河岸带土壤中乙草胺和阿特拉津的吸附性能

为改善农药对河岸带土壤污染状况,进而防控农业面源污染,以玉米芯为原料制备生物质炭,利用模拟实验研究其对河岸带土壤中乙草胺和阿特拉津的吸附性能影响,并探讨了其吸附机理。结果表明:河岸带土壤中添加生物炭可使乙草胺和阿特拉津的吸附容量显著增强,其吸附热力学过程与Freundlich和Langmuir模型拟合均有较好的相关性。与对照土壤相比,添加质量分数为1.0%生物炭的土壤对乙草胺的最大吸附量从13.28μg·g~(-1)升高到769.23μg·g~(-1);添加质量分数为0.3%生物炭的土壤对阿特拉津的最大吸附量从70.92μg·g~(-1)升高到333.33μg·g~(-1)。伪二级动力学速率方程对河岸带土壤吸附乙草胺和阿特拉津的过程拟合效果较好,优于一级动力学速率模型的拟合结果,吸附量以及吸附速率均与土壤中生物炭投加量成正比。玉米芯生物炭可作为河岸带土壤的修复剂,降低乙草胺和阿特拉津的迁移性。     

核桃壳生物炭小球对雌激素污染物的吸附机制

为探究生物炭小球对雌激素污染物的吸附机制,以农业废弃物核桃壳为原材料,在400℃下热解碳化制备生物炭,与黏土、碳酸氢钠、硅酸钠混合制备生物炭小球。采用ESEM观察、比表面积测定、红外光谱对其表面结构和组成进行表征,并将其用于对雌酮(E1)、雌二醇(E2)和雌三醇(E3)的吸附去除研究。分别考察了吸附时间、溶液pH、生物炭小球投加量以及雌激素初始浓度对吸附效果的影响,并通过颗粒内扩散、等温吸附、吸附动力学探讨其吸附机制。结果表明:生物炭小球对雌激素的吸附平衡时间为15 min;投加量为1 g、pH为5、初始浓度为2 500μg·L-1时平衡吸附量最大;颗粒内扩散模型研究结果表明吸附机制包括分配作用和表面吸附;准二级动力学可较好地描述生物炭小球对雌激素的吸附过程;生物炭小球对雌激素的吸附过程符合Freundlich等温吸附模型。所制备的生物炭小球对雌激素污染物具有较好的去除效果,在环境治理方面具有一定的应用前景。     

腐殖酸对生物炭吸附水环境中雌激素的影响

以玉米秸秆为原料,通过500℃限氧裂解制备生物炭(记为500BC),并采用批量吸附实验对比500BC及腐殖酸负载后生物炭(记为500BC-HA)对于水环境中两种雌激素(双酚A(BPA)和17α-乙炔雌二醇(EE2))的吸附性能及作用机制。结果表明,腐殖酸分子可阻塞部分500BC孔隙,使500BC的孔径、孔容及比表面积下降,负载腐殖酸后,500BC的比表面积由8.43m~2/g减小至4.40m~2/g,孔径从26.1nm减小至3.2nm,孔容由0.018cm~3/g下降至0.001cm~3/g;与500BC相比,500BC-HA对BPA、EE2的吸附能力均明显降低,一方面是因为腐殖酸分子占据了500BC表面的吸附点位并堵塞部分孔隙,使其吸附能力降低,另一方面腐殖酸负载后引入更多的含氧官能团,使500BC表面疏水性降低,与雌激素间的疏水作用减弱。腐殖酸负载质量浓度为0～10mg/L时,增加负载质量浓度对500BC吸附性能影响明显,当负载质量浓度大于10mg/L时,腐殖酸在500BC表面达到饱和,继续增加负载浓度对500BC的吸附性能不再产生影响。     

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。     

重金属离子对生物炭吸附水环境中雌激素的影响

以小麦秸秆为原料制备生物炭(BC),采用批量吸附实验研究BC对水环境中雌激素双酚A(BPA)、17α-乙炔基雌二醇(EE2)的吸附行为,并选用模型污染物菲作对比,探讨了重金属离子(Cu~(2+)、Cd~(2+)、Pb~(2+))对BC吸附雌激素的影响和作用机制。结果表明:BC对污染物的最大吸附能力为菲BPAEE2,其主要吸附机制为疏水性作用、π—π电子供受体作用、孔隙填充作用等。在重金属离子存在条件下,BC对污染物的吸附明显降低,一方面是因为重金属离子与BC表面含氧官能团发生络合作用竞争吸附点位;另一方面是因为重金属离子可与周围水分子之间形成三维水合金属离子进行孔隙堵塞。Pb~(2+)对BC吸附能力的抑制作用最弱,这主要是因为Pb的水合离子半径最小,孔阻塞和竞争作用最弱。     

新制备生物炭的特性表征及其对石油烃污染土壤的吸附效果

生物炭作为一种绿色环保的功能材料因其在污水处理和污染土壤修复方面具有显著效果而受到极大关注.采用红外光谱、元素分析仪及微孔分析对不同温度(200、300、400、500和600℃)条件下制备的木屑和麦秆生物炭进行特性表征,并采用制备的生物炭净化石油污染土壤,分别考察了污染物性质、生物质原料和热解温度对其净化效果的影响.结果表明,随着热解温度的增高,生物炭芳香化程度增加,极性降低,微孔结构逐渐发育,表面积增大.加入生物炭33 d后,污染土壤中总石油烃及其组分烷烃的浓度比对照略有降低,而PAHs浓度下降显著.随着热解温度升高,2种生物炭对PAHs的吸附强度均逐渐增大,芳香度增高、表面积增大是强吸附的主要原因.2种生物炭在400℃及以下温度制备时对PAHs的吸附强度为:木屑生物炭＞麦秆生物炭;而400℃以上温度制备的生物炭吸附强度则相反,即麦秆生物炭＞木屑生物炭,说明生物炭原料对其吸附强度也具有显著影响.     

柚子皮水热炭对六价铬的吸附

采用水热炭化的方法制备柚子皮水热炭吸附剂,用红外光谱仪和氮吸附仪测定水热炭表面的官能团和孔结构,考察了吸附剂用量、溶液pH值、Cr(Ⅵ)初始浓度、吸附时间对吸附Cr(Ⅵ)的影响。结果表明:水热炭是典型的介孔材料且有较多的含氧官能团,有利于Cr(Ⅵ)的吸附。溶液pH值小于7时,吸附效果较好;当溶液中Cr(Ⅵ)离子的初始浓度为50mg·L~(-1),pH=6,吸附剂用量为0.4 g·(50 mL)~(-1)、吸附时间为90 min时、水热炭对Cr(Ⅵ)的吸附率和吸附量分别为99.03%、6.19 mg·g~(-1)。柚子皮水热炭对Cr(Ⅵ)的吸附过程符合准二级吸附动力学模型,且35、45、55℃的等温吸附数据拟合结果表明等温吸附过程符合Freundlich模型。     

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)。     

不同吸附条件下生物炭的汞吸附特性研究

为了获得汞初始浓度、吸附温度以及气氛(O_2、CO_2、SO_2浓度)等不同吸附条件下生物炭的汞吸附特性,对等温和非等温条件下制备的核桃壳生物炭(分别记为WS_(iso)和WS_(var))进行了研究,并利用比表面积和孔隙度分析仪、傅立叶变换红外光谱仪表征生物炭的孔隙结构和表面官能团等微观特性,探究其影响机理。结果表明:WS_(iso)和WS_(var)孔隙结构及表面化学性质不同,其中WS_(iso)的累积孔体积较大,为0.130 8cm~3/g,WS_(var)的含氧表面官能团数量和种类较多;在相同吸附条件下,WS_(iso)的汞吸附效果整体上优于WS_(var);汞初始浓度、CO_2和O_2浓度的升高会对生物炭汞吸附性能起到促进作用;随着吸附温度和SO_2浓度的升高,生物炭的吸附性能有所下降。     

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。     

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。     

生物炭对水中Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附特征

选取花生壳和玉米秸秆为原材料,在不同温度下制备生物炭,与市售的银杉木炭一起作为吸附剂探究其对水溶液中Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附能力和特性。用FTIR和扫描电镜表征生物炭表面性质。实验考察了吸附时间、溶液初始pH、初始浓度对吸附的影响。结果表明,在室温25℃和pH 5.0条件下,生物炭对Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的吸附量随时间的增加而增大,在24 h后基本达到平衡,并且生物炭对Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的吸附动力学符合准二级动力学方程;溶液初始pH显著影响生物炭对Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附,其中对Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的最佳吸附pH分别为5.0和6.0;花生壳生物炭和玉米秸秆生物炭对Pb(Ⅱ)的等温吸附符合Langmuir模型和Freundlich模型,而对Zn(Ⅱ)的等温吸附Freundlich模型拟合效果更佳;银杉木炭对Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的等温吸附更适用于Langmuir模型。另外,随着生物炭制备时热解温度的升高,生物炭对Pb(Ⅱ)和Zn(Ⅱ)的吸附量增加,且各生物炭对Pb(Ⅱ)的最大吸附量远大于其对Zn(Ⅱ)的最大吸附量。不同生物炭对Pb(Ⅱ)的吸附能力有明显差异,表现为:花生壳生物炭玉米秸秆炭银杉木炭,而对Zn(Ⅱ)的吸附力差异不明显。     

改良剂对土壤Cu形态转化及其生物可给性的影响

通过室内土壤培养实验,研究添加9种不同改良剂(沸石、石灰、磷矿粉、油菜秸秆、堆肥、赤泥、生物调理剂、生物炭和骨炭)对污染土壤Cu化学形态和生物可给性的影响。培养2个月,除堆肥处理外,添加5%的其他8种改良剂均显著地提高了土壤的p H值,提高效果为石灰生物炭赤泥生物调理剂油菜秸秆=骨炭磷矿粉沸石。培养2个月后,添加所有改良剂均显著地降低了土壤中酸可提取态Cu的含量,生物调理剂、生物炭和骨炭处理效果最为显著,分别比对照下降28%、18.1%和33.7%。添加不同的改良剂对土壤Cu的生物可给性也有影响。培养1个月,石灰、生物炭和骨炭处理分别导致土壤中生物可给性Cu含量比对照降低9.8%、10.5%和18.3%;培养2个月,赤泥、生物炭和堆肥处理分别导致生物可给性Cu含量比对照降低13.2%、17.6%和18.6%。研究表明,生物炭和骨炭可作为Cu污染土壤的理想改良剂。     

生物炭对Cu~(2+)污染土壤反硝化过程的影响

反硝化过程会导致土壤系统中氮素的流失,而且产生温室气体N2O,有必要控制污染土壤的反硝化过程。研究了Cu~(2+)污染土壤中添加生物炭对反硝化过程的抑制。结果表明,Cu~(2+)污染土壤的NO-3浓度低于未污染土壤,N2O释放速率大于未污染土壤,可见Cu~(2+)污染土壤中的Cu~(2+)可促进反硝化过程。添加生物炭可明显降低土壤中可提取Cu~(2+)浓度,N2O释放速率降低,NO-3浓度升高,但NO-3浓度的升高滞后于N2O释放速率的降低。生物炭添加量为5%(质量分数)时对反硝化作用的抑制效果最强。     

生物质炭对污染土壤中的镉生物有效性及阿特拉津消解的影响

通过室内土培实验,研究添加1%在300℃和700℃制备的甘蔗叶生物质炭(BCst-300、BCst-700)和蚕沙生物质炭(BCse-300、BCse-700)对复合污染土壤中镉生物有效性和阿特拉津消解的影响;从土壤p H值、阳离子交换量、有机碳和微生物生物量碳、氮的变化初步探讨添加生物质炭影响土壤镉生物有效性和阿特拉津消解的机理。研究表明,添加生物质炭显著降低了土壤镉的生物有效性,同时加快了阿特拉津的生物降解,培养结束(60 d)时,添加BCst-300、BCst-700、BCse-300和BCse-700土壤中有效镉含量分别比对照降低了23.03%、31.43%、47.84%和38.69%,阿特拉津消解率分别比对照提高了12.45%、7.85%、49.10%和40.76%,其中蚕沙生物质炭对降低土壤镉的有效性以及促进阿特拉津生物降解效果优于甘蔗叶生物质炭,且BCse-300的效果最为显著。相关性分析结果表明,土壤镉的生物有效性与土壤p H值和阳离子交换量呈极显著负相关性,说明提高土壤p H值和阳离子交换量是外源生物质炭降低土壤镉的生物有效性的重要机制;阿特拉津残留量与土壤p H值、阳离子交换量、微生物生物量碳、氮均呈极显著负相关性,表明生物质炭可以通过改变土壤p H值、阳离子交换量、微生物生物量碳、氮从而促进土壤中阿特拉津的降解。     

改性芦苇生物炭对水中硫酸盐的吸附性能及机理

水中过高浓度硫酸盐赋存会对水生环境产生一定的影响。为此,选取芦苇秸秆作为生物炭原料,通过添加煤矸石共热解对生物炭进行了改性,采用扫描电子显微镜(SEM)、氮气吸附脱附法(BET)和傅里叶红外光谱(FTIR)等手段对生物炭的物理化学性质进行了分析,考察了pH、吸附剂投加量、吸附时间和初始浓度对水中硫酸盐吸附性能的影响。结果表明：改性后生物炭(MBC)的吸附效果优于未改性生物炭(OBC);MBC的粗糙程度大于OBC,MBC拥有更大的比表面积和更多的孔隙结构,其比表面积为改性前的2.4倍;对吸附过程进行吸附动力学和吸附等温模型拟合,发现准一级动力学模型和Langmuir模型可以更好的描述MBC对硫酸盐的吸附行为,表明吸附过程以静电吸附和单分子层吸附为主。当pH为2、投加量为8 g·L^-1时改性材料吸附效果最好,最大吸附量可达29.69 mg·g^-1,且经过5次再生吸附后,硫酸盐去除率仍能达到50%以上。因此,改性后的生物炭可作为去除水体中硫酸盐的良好材料。