改性生物炭特性表征及对冶炼厂周边农田土壤铜镉形态的影响

生物炭及其改性材料由于具有较发达的比表面积和孔隙结构、丰富的表面官能团及较强的吸附能力等特性,被作为良好的环境修复材料而成为农田土壤重金属污染修复领域的研究热点.选取稻壳生物炭,采用K₃PO₄、KMnO₄和NaOH进行改性处理,利用扫描电镜（SEM）和红外光谱（FT-IR）等对生物炭表面微观形态与结构进行表征分析,并开展了90 d土壤培养试验,比较分析3种改性生物炭对冶炼厂周边农田复合重金属污染土壤中Cd和Cu的有效性和形态的影响.结果表明,改性后生物炭表面粗糙,比表面积和孔容均有不同程度的增大,其中,NaOH改性生物炭变化最为明显,分别由改性前的4.96 m²·g^-1和0.02 cm³·g^-1增至60.79 m²·g^-1和0.12 cm³·g^-1,孔径变化则与之相反;改性生物炭的官能团吸收特征峰值均发生改变,其中K₃PO₄改性生物炭的变化最为明显.添加不同改性生物炭均能显著提高土壤pH值（P<0.05）,K₃PO₄改性生物炭对土壤pH的增幅最大,为20.5%;K₃PO₄改性生物炭对土壤中Cu和Cd的有效态含量的影响也最为明显,分别降低了75.44%和67.70%;土壤中Cu和Cd的水溶态、可交换态和碳酸盐结合态比例均降低,其中K₃PO₄改性生物炭对Cu和Cd的钝化效果最好,添加量为2%时,钝化效率分别为61.06%和4.12%,Cu的钝化效率远高于Cd.综上所述,K₃PO₄改性生物炭对复合污染土壤中Cu和Cd具有较强的钝化效果.     

不同农作物秸秆原料制备生物炭特性及重金属浸出行为

采用水稻秆、大豆秆、小麦秆和玉米秆为原料在550℃缺氧条件下制备生物炭,考察不同原料生物炭理化性质及热解后重金属(Cr﹑Ni、 Cu﹑As﹑Cd和Pb)迁移转化特征,及其在不同浸出液中的浸出行为.结果表明,4种原料制备的生物炭的理化特性和元素组成基本一致,其中玉米秆生物炭微孔体积(0.006 cm³·g^-1)和比表面积(110.120 m²·g^-1)低于其他原料生物炭.秸秆热解后重金属(除Cd外)含量增加了14.04%～410.81%,且大部分重金属(除Cd和Pb外)化学形态由不稳定态(弱酸提取态和可还原态)向稳定态(可氧化态和残渣态)转化.制备的生物炭中的重金属在超纯水和缓冲盐溶液中无浸出或浸出量较少,在乙酸溶液和腐殖酸溶液中浸出量较高.其中Cu在乙酸溶液中浸出量较高,为2.601～4.224 mg·kg^-1,As在腐殖酸溶液中浸出量较高,介于0.074～0.166 mg·kg^-1.热解后,各种重金属的环境质量指数(PI_i)和内梅罗...     

水稻秸秆生物炭对镉、铅复合污染土壤中重金属形态转化的短期影响

用生物炭修复重金属污染土壤已有广泛研究.本文采用水稻秸秆在500℃下制成的生物炭,施入Pb、Cd复合污染的土壤中培养30 d,探讨重金属化学形态变化,以期为生物炭修复重金属污染土壤提供科学依据.结果表明:生物炭添加后,黄棕壤的pH升高,弱酸提取态、可还原态及可氧化态Pb含量降低,残渣态Pb含量极显著增加,土壤Pb活性降低;与未加生物炭处理相比,添加生物炭后高浓度Cd污染土壤中弱酸提取态Cd含量极显著降低,可氧化态Cd含量增加,而残渣态Cd含量变化不显著,表明添加生物炭可以促进弱酸提取态Cd向可氧化态Cd转化.Pb、Cd复合污染土壤中Pb-Cd交互作用极显著,添加生物炭减弱了交互作用对弱酸提取态Pb的影响.     

生物炭剂量对土壤镉形态和细菌群落的影响

为研究不同生物炭添加量对重金属镉污染土壤的原位修复效果,该研究以甘蔗渣为原材料制备不同剂量的生物炭（1%、2%、3%）,明确了重金属镉修复过程中土壤理化特征、镉形态分布和微生物群落结构的变化情况。结果表明：不同剂量生物炭处理主要通过提高土壤p H、有机质含量和阳离子交换量,促进土壤中弱酸可提取态镉、可还原态镉向残渣态转化,其中3%剂量处理的生物炭促进效果显著。实验结束时（60 d）,添加生物炭的弱酸可提取态、可还原态分别下降到21.14%～29.66%、11.15%～22.12%,而添加生物炭的土壤中残渣态镉含量（38.11%～57.53%）显著高于未添加生物炭的土壤（18.55%）,可氧化态镉无显著性变化。施入生物炭后土壤中微生物多样性、丰富度和均匀度均有明显的差异,不同剂量生物炭处理的Ace指数和Chao指数大小依次为Bio 2>Bio 3>Bio 1>CK;也显著提升主要优势菌未分类的酸杆菌、放线菌科、绿弯菌科、芽单胞菌科的相对丰度,Bio 1、Bio 2、Bio 3提升效果分别达15.62%、11.34%、22.98%,56.93%、56.75%、4.53%,...     

生物炭对城郊农业土壤镉有效性及镉形态的影响

为探索生物炭对镉污染土壤的钝化效果,采用室内培养的方法,研究了低镉(镉含量1.86 mg/kg)及高镉(镉含量6.55mg/kg)土壤条件下生物炭对土壤有效态镉及不同形态镉分布的影响。研究结果表明:至培养末期,添加生物炭显著降低了2种镉条件下土壤有效态镉含量,低镉及高镉条件下降幅分别达到4.31%和6.82%。生物炭添加对短期及较长期内不同形态镉含量均会产生影响。在培养初期,2种镉条件下添加生物炭均使可交换态镉含量显著下降(P0.05),铁锰氧化物结合态镉及残渣态镉含量上升,且后者上升显著(P0.05)。在培养末期,生物炭的添加减少了2种镉条件下可交换态和有机物及硫化物结合态镉含量,提高了碳酸盐结合态及残渣态镉含量,且低镉条件下各形态镉含量的变化均有显著差异。该实验数据表明,生物炭与土壤的有效结合降低了重金属镉的有效态含量,其迁移性和生物有效性得以控制,生物炭对土壤重金属镉具有显著的钝化作用,在土壤重金属镉污染治理方面有着巨大潜力。     

生物炭及改性生物炭对水环境中重金属的吸附固定作用

生物炭是由植物或动物废弃生物质在完全或部分缺氧条件经裂解炭化产生的一类高度芳香化、抗分解能力极强的碳质固体物质,是一种富含碳元素的有机连续体。生物炭比表面积大、疏松多孔,含有羟基、羧基、羰基等活性官能团,对多种重金属离子具有吸附固定作用,可以用来去除或削减水体中的有毒有害重金属。此外,利用酸、碱、石墨烯等物质对其进行修饰或改性,可提高对重金属的吸附能力。根据当前研究现状,综述了不同生物炭对水溶液中重金属离子的去除作用,并比较了一些生物炭改性前后与重金属的作用效果差异,同时归纳了生物炭与重金属的相互作用机理及其影响因素。在此基础上,展望了生物炭在去除水体环境中有毒有害重金属的研究方向,以期望生物炭得到更好应用。     

凤眼莲、稻草和污泥制备生物炭的特性表征与环境影响解析

有机废弃物限氧热解制备生物炭可在减缓温室气体排放的同时改善土壤和水体环境质量,但同时生物炭在环境中的应用具有潜在生态毒理风险.因此,在将生物炭大规模应用于各类环境介质前,对其关键物理-化学性质进行系统分析与评价是极为必要的.本文选择对我国水生生态环境危害最大的入侵植物凤眼莲(Eichhornia crassipes)和我国产量最高的农业废弃物稻草,以及市政污水处理厂剩余污泥3种生物质前体,于250~550℃进行低温慢热解,对所制备生物炭的表面形貌、元素组成、矿物形态和一系列关键化学特性进行了全面表征与比较分析.在此基础上,深入探讨了此3类生物炭应用于土壤改良、重金属污染修复和水体富营养化控制的潜力与风险.结果表明,凤眼莲生物炭中K、Ca、Na、Mg含量最为丰富,指示其对于缓解土壤酸化具有重要应用价值,而其中P主要以AlPO_4晶体态存在,水溶性较低,这有利于降低此类生物炭引起水体富营养化的风险;水稻秸秆生物炭阳离子交换量(CEC)相对较高,达到33.7 cmol·kg~(-1),表明其在提高土壤保肥能力和降低重金属生物有效性方面具有较大潜力;SEM-EDX显示,凤眼莲生物炭和稻草秸秆生物炭均具有发达的束筒结构,可优先考虑用于改善土壤通气性;但是,部分生物炭中水溶性Cd、As含量超出安全阈值,表明对有机质前体和热解产物进行严格检测和筛选是实现生物炭在环境与农业中安全利用的必要环节.     

核桃壳生物炭对土壤中镉的钝化修复

通过室内模拟试验,研究了核桃壳生物炭（BC400、BC500、BC600）对人工Cd污染土壤（20 mg/kg）pH、Cd赋存形态分布的影响,并探究可能的修复机理。结果显示:经56 d修复后,与空白对照组相比,10%添加量的核桃壳生物炭BC400、BC500、BC600分别使土壤pH升高了1.07、1.31、1.38,弱酸可提取态Cd含量减少了17.02%、20.20%、24.53%,可还原态Cd含量减少了8.9%、19.1%、38.2%,可氧化态Cd含量增加了44.83%、78.45%、100%,残渣态Cd含量增加了66.03%、71.43%、89.21%。同时,土壤pH与土壤中弱酸可提取态Cd含量呈显著负相关（P<0.01）。综上,核桃壳生物炭能够对Cd污染土壤起到钝化修复作用。     

制备工艺对nZVI/污泥基生物炭中Zn、Cu、Pb形态分布及其生态风险的影响

以市政污泥为原料、纳米零价铁(n ZVI)为添加剂,采用热解法制备污泥生物炭,考察了n ZVI添加量、热解温度和升温速率对生物炭中Zn、Cu、Pb形态分布及其生态风险的影响。结果显示:高n ZVI添加量、高热解温度及低升温速率可提高稳定态(BCR法) Zn、Cu和Pb的含量;高n ZVI添加量可促使Zn、Cu和Pb向可氧化态转化,而高热解温度和低升温速率有利于残渣态Zn、Cu和Pb的生成;最优n ZVI添加量、热解温度和升温速率分别为2000 mg/kg,800℃和4℃/min。此外,当n ZVI添加量为800 mg/kg、热解温度为800℃和升温速率为2℃/min时有利于降低Zn、Cu和Pb的生态风险; Zn、Cu和Pb总体生态风险等级分别为低风险、低风险和无风险,与Cu和Pb相比,Zn的生态风险较高;以RI值为评价指标,n ZVI/污泥基生物炭的优化制备工艺为:n ZVI添加量为200 mg/kg,热解温度为800℃,升温速率为5℃/min。     

生物炭覆盖对底泥污染物释放的影响

为研究生物炭对底泥污染物释放的影响,将芦竹茎、芦苇茎、花生壳及玉米芯利用限氧升温炭化法烧制成生物炭(Biochar),在模拟反应器中覆盖在受污染底泥上,研究生物炭对上覆水NH4+-N、NO3--N、NO2--N、COD及PO34--P浓度的影响,并计算各指标累积释放量及释放速率;同时测定了生物炭可溶性NH4+-N和PO34--P的释放量.结果表明,未覆盖生物炭的对照组上覆水氨氮浓度在第25 d达到最大值4.27 mg·L-1,之后稳定在4.02 mg·L-1左右,而4种生物炭处理组在第25 d以后,氨氮浓度稳定在0.3 mg·L-1以下,其中芦苇处理组抑制效果最明显,氨氮累积释放量减少了85.61%;4种生物炭组COD累积释放量较未添加生物炭处理组减少了28.83%～30%;玉米芯生物炭处理组磷酸盐浓度高于对照组,芦竹及花生壳处理组对底泥磷的释放抑制效果较好.生物炭NH4+-N和PO34--P的释放量在前3 d最大,花生壳生物炭组氨氮释放量最大,为36.79mg·kg-1,玉米芯生物炭处理组磷酸盐释放量最大,为70.64 mg·kg-1.结果表明生物炭对底泥NH4+-N、COD及PO34--P的释放有削减作用,具有应用到污染水体底泥修复的潜力.     

稻草生物炭对土壤中Cd2+和Pb2+的吸附特性

为了探究稻草生物炭对土壤中重金属Cd2+和Pb2+的吸附机制,采用水稻秸秆在500℃下热解制备稻草生物炭,设置不同吸附时间、Na+和Ca2+离子强度、pH等影响因素,拟合稻草生物炭对重金属的吸附动力学、吸附等温线;在此基础上,采用黄沙模拟土柱试验得出稻草生物炭固定Cd2+和Pb2+的穿透曲线,着重分析比较pH和Na+离子强度对稻草生物炭吸附固定重金属的影响.结果表明:在高pH、低离子强度下,稻草生物炭对重金属的吸附效果较好;当pH为6时,稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附效率分别为92.58%、63.36%;当离子强度为10 mmol/L时,稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的最高吸附效率分别为97.58%、68.35%;准二级动力学模型能很好地拟合稻草生物炭对Pb2+、Cd2+的吸附规律,拟合系数（R2）均大于0.995 8,表明稻草生物炭吸附速率主要由化学吸附机制决定;此外,稻草生物炭对Pb2+的吸附规律适合采用Langmuir等温吸附模型进行描述,而对Cd2+的吸附规律采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型均能进行很好的模拟,表明稻草生物炭对Pb2+的吸附是近似单分子层吸附,而对Cd2+的吸附存在多分子层吸附.由黄沙土柱模拟试验结果得出,稻草生物炭对Pb2+和Cd2+的滞留率随着pH的升高和离子强度的降低而增强.在Pb2+和Cd2+同时存在条件下,当pH为6、离子强度为1 mmol/L、稻草生物炭按黄沙质量的0.5%投加时,稻草生物炭对土柱中Pb2+、Cd2+的滞留效果最好.研究显示,高pH对稻草生物炭吸附固定重金属起到促进作用,而高离子强度对稻草生物炭吸附固定重金属起到抑制作用.      

污泥生物炭制备吸附陶粒

以城市污泥热解产生的生物炭(BC)与高岭土(KL)为原料制备吸附陶粒(SKC),研究其对环丙沙星(CIP)的吸脱附性能,开展吸附动力学和等温吸附特性研究,结合形貌、孔结构、物相组成、表面电位探讨其吸附机制,利用TCLP法研究重金属浸出特征.结果表明BC与KL以6∶4的质量比混合造粒,经1 050℃烧结5 min得到的SKC对CIP有明显的吸附效果,去除率达65.34%;SKC对CIP的吸附符合二级动力学模型,在不同质量浓度下的吸附特性适用于Freundlich等温吸附模型,吸附过程同时存在物理和化学吸附.SKC具有良好的孔隙结构,物相组成以硅铝氧化物、铁氧化物和金属磷酸盐为主,既能降低重金属的浸出毒性又具有良好的CIP吸附去除效果,有望为处理废水中高浓度CIP提供一种低成本可回收的吸附材料,也为BC的规模化安全利用提供了新思路.     

磁性生物炭的合成及对土壤重金属污染的钝化效果

为提高生物炭对土壤重金属的钝化能力,通过温和液相还原再氧化法制备了磁性生物炭材料.利用土壤培养实验,以0%、 0.3%、 0.6%和1.0%(质量分数)的比例向重金属污染土壤中施加磁性生物炭,考察磁性生物炭对土壤重金属污染的钝化修复效果及对土壤理化特性的影响,并对修复机制进行了探讨.结果表明,添加不同比例磁性生物炭后,土壤中Cd、Cu、Ni、Pb和Zn有效态含量均呈现不同程度的下降,且随着该材料添加比例的增加土壤中重金属有效态降幅随之增加.培养24 d后,Cd、Cu、Ni、Pb和Zn的钝化效率分别达到了27.52%、 49.55%、 55.83%、 27.33%和26.01%(添加量为1%),但土壤中重金属的形态并没有发生显著变化,可能主要与重金属和生物炭之间相对较弱的结合机制有关.同时,磁性生物炭的添加改善了土壤的理化性质,其中pH值提高0.7个单位,脱氢酶活性提高6倍,过氧化氢酶活性和有机质分别提高37.06%和22.11%.     

矿山不同片区土壤中Zn、Pb、Cd、Cu和As的污染特征

根据某典型有色金属矿山生产过程的污染状况,将受污染的矿区土壤分为尾矿污染区、坑道废水污染区、污风降尘污染区和精矿运输污染区4种类型.选择该矿区受污染土壤样本28个,用等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)等方法分析了土壤重金属含量和形态特征.结果表明,该矿区土壤重金属Zn、Pb、Cd、Cu和As污染较为严重,土壤Zn、Pb、Cd、Cu和As平均含量分别达508.6mg·kg^-1、384.8mg·kg^-1、7.53mg·kg^-1、356mg·kg^-1 和44.6mg·kg^-1.不同片区间存在明显差别,污染强度以尾矿污染区最高,内梅罗综合指数为173,其次是精矿运输污染区和坑道废水污染区,污风降尘污染区污染较轻;各片区土壤的重金属元素以残余态为主,有机结合态比例最小,不同元素之间、不同片区土壤之间各形态所占比例差别不大.     

水稻秸秆生物炭对耕地土壤有机碳及其CO2释放的影响

为探究生物炭自身稳定性及其输入土壤后对于土壤本体有机碳的影响,本研究模拟自然条件,分别将500℃和700℃裂解的水稻秸秆生物炭(RBC500和RBC700)以0%(空白土壤)、3%、6%和100%(纯生物炭)的比例添加至耕地土壤进行室内培养实验,观测总有机碳(TOC)与易氧化态碳(EOC)含量的变化及CO2排放特征.结果表明,与空白土壤处理相比,土壤TOC、EOC含量均随水稻秸秆生物炭添加量的增加而升高;相同添加量条件下,RBC500对土壤TOC与EOC增加的贡献均高于RBC700.各处理土壤TOC含量在前30 d内均降低(最大降幅为15.8%),并于培养后期趋于稳定;土壤EOC含量在培养初30 d内均降低,当生物炭添加比例为3%和6%时,RBC500使土壤的EOC含量降幅分别为72.4%和81.7%,大于RBC700的61.3%和69.8%;培养结束时,添加相同裂解温度生物炭的土壤EOC值相近.培养前期土壤中EOC含量的下降可能与生物炭中易分解组分引起的矿化作用有关.在130 d培养期内,CO2累计排放量大小顺序为:土壤+生物炭混合处理<纯土壤处理<纯生物炭处理,可见,生物炭的土壤处理可以减少土壤CO2的排放,最大减排率可达41.05%.在一个长的时间尺度内,生物炭的土壤处理有利于土壤碳的固定.生物炭施用于土壤可作为碳储存载体.     

控氧热解过程中污染稻草生物炭的组分特性及其重金属累积特征

热解是实现重金属污染生物质无害化资源化的重要手段之一.以重金属污染稻草为原料,研究了控氧热解生物炭的组分特性及其重金属的累积特征.结果表明,低氧热解可有效利用污染稻草制备生物炭,提高重金属在生物炭中的稳定性.氮气氛条件下,稻草生物炭产率为29.4%～34.9%;可溶性有机质(DOM)以类腐殖酸物质为主,其芳香化指数(SUVA₂₅₄)随热解温度升高呈先升后降趋势;生物炭中Ca主要以CaCO₃形式存在.与氮气氛相比,10%和20%(体积分数,下同)氧气氛条件下生物炭(热解残渣)的产率分别降低5.6%～13.5%和14.9%～15.7%,但pH值提高0.5个单位以上;有氧气氛加速了热解过程中木质素组分的降解,生物炭中DOM的SUVA₂₅₄值随热解温度升高逐渐降低.随热解气氛中氧体积分数提高,DOM中类腐殖酸物质向类富里酸物质转化;生物炭中Ca以CaO形式存在,这可能是导致生物炭pH值升高的原因之一.与氮气氛相比,10%氧气氛和400℃条件下,生物炭中Cu、 Cd、 Pb、 Ni和As的可交换形态占比降低了5.2%、 3.7%、...     

洞庭湖沉积物不同形态氮赋存特征及其释放风险

为了揭示湖泊沉积物中氮的空间分布特征及其释放风险,采用连续分级提取法研究了洞庭湖表层沉积物中EN(可交换态氮)、HN(酸解态氮)及NHN(非酸解态氮)的赋存特征;同时,结合BN(生物可利用态氮)的含量和释放通量的大小,探讨了各形态氮对BN的贡献及与释放通量的相关关系. 结果表明,受水动力和湖盆地形的影响,沉积物中各形态氮含量空间差异较大. 全湖w(TN)在735.91~2846.51mg/kg之间,平均值为1371.85mg/kg,东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、洞庭湖出口w(TN)的平均值分别为1513.43、1173.14、1262.76和1363.31mg/kg. 从各形态氮含量占w(TN)的比例来看,w(HN)最高,平均占66.74%;其次是w(NHN),平均占21.46%;w(EN)最小,仅占11.80%. 东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、洞庭湖出口w(BN)的平均值分别为189.31、170.16、152.87和139.51mg/kg,其值大小主要受w(EN)和w(HN)的影响. 东洞庭湖、西洞庭湖、南洞庭湖、洞庭湖出口沉积物中NH₄+-N释放通量的平均值分别为6.32、7.03、7.78和146.96mg/(m2·d),沉积物中NH₄+-N释放通量主要受EN控制,其中尤其受可交换态NH₄+-N的控制,而沉积物中的HN和TN尚不是影响沉积物氮释放的主要因素.