生物炭修复污染土壤的研究进展

介绍了生物炭的一些基本性质如碱性、表面积、官能团、CEC、元素组成和稳定性。然后对生物炭在污染土壤修复领域中的研究做了综述,例如用作土壤改良剂提高土壤对污水中有机污染物和重金属的吸附能力以及降低土壤中污染物的生物有效性。并对今后生物炭的研究方向作出了展望。     

生物炭的制备及其性能研究

以生物质(小麦秸秆、稻壳和木屑)为原料,KOH为浸渍剂,采用控制热分解的方法制备生物炭,并利用差热/热重分析、Boehm滴定、红外光谱、X射线衍射、碘吸附及亚甲基蓝吸附等方法对原料和生物炭的结构及性质进行了表征。实验结果表明:木屑在热解过程中质量损失最大,其次是稻壳和小麦秸秆;不同原料在相同炭化温度下制得的生物炭所含表面含氧官能团种类和总量相近,均含有烷基、芳香基及一些含氧官能团,但pH值和吸附能力差别较大,其中小麦秸秆制备的生物炭pH值最大,木屑制备的生物炭吸附能力最强;随着炭化温度的升高,生物炭表面含氧官能团总量减少,pH值升高,芳构化程度增加;生物炭吸附性能总体呈上升的趋势。     

生物炭对农田土壤-植物系统有机碳储量的影响

为探究生物炭对农田土壤有机碳储量以及作物固碳量的作用效应,在长江中下游地区地带性土壤黄棕壤上设置田间小区试验,采用玉米-小麦轮作方式,在不同生物炭用量[0.0 kg/(m~2·a)-(CK)、0.5 kg/(m~2·a)-(BC1)、4.5 kg/(m~2·a)-(BC2)]条件下,对土壤有机碳含量、作物生物量、作物光合固碳量等指标进行了测定分析,并估算了试验条件下农田土壤-植物系统有机碳储量。结果表明:(1)在0~20cm土层,BC2处理两季玉米收获时的土壤有机碳储量(3.72和3.77 kg/m~2)分别比CK处理增加18.93%和19.23%。小麦季BC2的土壤有机碳储量达3.43 kg/m~2,也比CK增加了12.83%。BC1处理比CK虽有增加,但未形成显著差异。土壤有机碳含量是土壤有机碳储量增加的基础。(2)两季玉米收获时其BC1处理的单株固碳量未显著高于对照,BC2处理的玉米单株固碳量(80.06和80.69 g/株)则分别比对照提高6.46%和7.16%。在小麦季,2个生物炭处理的植株单株固碳量均高于对照,尤以BC2处理较为突出,其单株固碳量达到3.06 g/株,比对照显著提高16.17%。作物生物量对植株单株固碳量有显著贡献。(3)就土壤-植物系统有机碳储量而言,BC2处理下,在两季玉米收获时该值分别为4.42和4.50 kg/m~2,显著高于CK处理,增幅达16.75%和17.09%。小麦季BC2处理的土壤-植物系统有机碳储量也达到了3.70 kg/m~2,比CK显著提高13.07%。在三季作物中,土壤有机碳储量占整个土壤-植物系统有机碳储量的80%~93%,土壤是农田生态系统碳增汇的主要来源,减少土壤碳排放可以使整个农田生态系统固定更多的碳。     

生物炭修复土壤重金属的研究进展

生物炭是由废弃生物质在缺氧条件下热解而成的一种含碳丰富的产物。由于具有精细的孔隙结构和独特的表面特性,生物炭对重金属污染物有着良好的吸附能力,从而影响污染物的迁移。从生物炭的基本特性、吸附机理以及对土壤中重金属的修复效果等方面进行综述,最后提出生物炭未来在环境修复方面的研究方向。     

水力负荷对改良型垂直流人工湿地降解模拟污水厂尾水效果的影响

为确定改良型垂直流人工湿地降解模拟污水厂尾水的最佳水力负荷,采用生物炭和活性炭改良、微生物强化以及同时添加生物炭、活性炭和微生物改良强化的3套垂直流人工湿地系统,研究了其在3种水力负荷条件下(0.25、0.5和1 m~3·(m~2·d)~(-1)),对模拟污水厂尾水中污染物的去除效果。结果表明,3套垂直流人工湿地系统均在低水力负荷(0.25 m~3·(m~2·d)~(-1))时对模拟污水厂尾水中NH_4~+-N、TN、TP和COD的去除率较高,但随着水力负荷的增大其去除率逐渐降低。3套垂直流人工湿地系统对NO_3~--N的去除率均在高水力负荷(1 m~3·(m~2·d)~(-1))时较高,且随着水力负荷的变大,其去除率逐渐升高,但去除率的增长幅度变缓;实验证明,生物炭和活性炭改良基质能够提高湿地系统对NH_4~+-N、TN、TP和COD的去除效果,并且在低水力负荷时对NH_4~+-N、TN和COD的去除拥有更好的改良效果,而对TP去除的改良则在高水力负荷时优于在低水力负荷时。厌氧-异养反硝化菌能够提高湿地系统对NH_4~+-N、NO_3~--N和TN的去除效果,并且在高水力负荷时对NO_3~--N的改良效果优于低水力负荷,而在低水力负荷时对NH_4~+-N和TN具有更好的改良效果。综合考虑多种污染物的去除效果,确定3套改良型垂直流人工湿地系统的最佳水力负荷为0.5 m~3·(m~2·d)~(-1)。     

稻草的水热碳化研究

利用水热碳化技术,在1 000 mL的反应釜中,考察了反应温度和停留时间对于稻草水热碳化的影响。结果表明,稻草碳化得到的气相产物主要为CO2、液相产物主要为乙酸和葡萄糖。随着反应温度和停留时间的提高,CO2、乙酸的产率以及生物炭(固相产物)的能量密度呈上升趋势,而生物炭的产率则呈现相反的趋势。在低温条件下(200℃左右),可获得较高葡萄糖产率。生物炭的吸水性实验表明,在反应温度为260℃,停留时间为1 h的条件下,生物炭的产率达到稳定。扫描电镜分析结果说明,经过碳化后的稻草整体呈现碎片状态,并伴有大量蜂窝状结构。     

食用菌废菌棒热解的产物分布与机理解析

我国食用菌废菌棒产生量大,利用率低,对环境污染严重,需要妥善处理。为制备高品质能源,在500～800℃温度范围内快速热解废菌棒,分析产物特征,解析热解机理。热解温度从500℃上升到800℃时,废菌棒的热解气质量分数从18.44%上升到50.45%,焦油的质量分数从49.06%下降到23.72%,生物炭的质量分数维持在30%左右,废菌棒的质量减量化率超过2/3;同时,热解气中H_2、CO、CH_4含量均有上升,CO_2含量下降;焦油组分向更稳定的苯系物转变;生物炭炭化效果增强。研究结果表明,700℃为最佳热解温度,经过120 s即可反应完全。高温可以破坏羟基的结构,使其发生脱氢反应,碳氢键较早断裂,伯碳和仲碳大量裂解并迁移至焦油和热解气中,羰基在高温下迅速断链。     

强还原与生物炭对土壤酶活性和温室气体排放的影响

本研究设置未修复对照(CK)、土壤强还原处理(RSD)、生物炭修复(BC)以及RSD与生物炭联合修复(RSD+BC),采用培养实验对比研究不同修复处理对设施蔬菜地土壤酶活性和温室气体(CO2和N2O)排放的影响.结果表明:相比CK,RSD和RSD+BC处理显著提高了β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维二糖水解酶(CBH)、过氧...     

载镧生物炭的优化制备及其对水体中砷的吸附

以玉米秸秆为原材料优化制备用于吸附水体中五价砷的载镧生物炭(La-biochar),对其表面进行了系统表征,同时考察了环境条件对载镧生物炭吸附性能的影响.结果表明:相比负载前生物炭,负载后生物炭表面更粗糙,比表面积增大4.6倍,同时表面成功负载有大量镧元素.以获取对五价砷的最大吸附能力为目的,通过响应面模型获得La-biochar的优化制备条件为:物料比w(La)/w(秸秆)=9.47%,停留时间=20min,热解温度=300oC.中性和酸性环境条件有利于La-biochar对砷酸根的吸附,而碱性条件则有不利影响;较高浓度的CO32-显著降低其对砷酸根吸附,而同样浓度的Cl-和F-不会造成明显影响.     

生物炭对塿土土壤容重和团聚体的影响

通过比较生物炭施入土壤2 a和5 a的试验结果,研究随年限的增长生物炭的添加对塿土容重和土壤团聚体含量及稳定性的影响.采用田间定位试验和室内分析,试验设生物炭用量为0 t·hm~(-2)(B0)、20 t·hm~(-2)(B20)、40 t·hm~(-2)(B40)、60t·hm~(-2)(B60)和80 t·hm~(-2)(B80)这5个处理,将果树树干、枝条生物炭(450℃、限氧条件下)施入土壤,与耕层土壤混匀.经过5 a,分3层测定0～30 cm土层(即0～10、10～20和20～30 cm)的土壤容重、团聚体及有机碳含量.结果表明:①生物炭施入土壤5 a与施入2 a的结果相比,其对0～10 cm和10～20 cm土层团聚体影响相对减弱,对20～30 cm土层土壤容重和团聚体的影响显著增强.②随着年限的增长,在0～10 cm土层,生物炭施用量为40 t·hm~(-2)时, 0. 25 mm团聚体的含量及团聚体稳定性显著增强,容重显著减小;在10～20 cm和20～30 cm土层,生物炭施用量为60～80 t·hm~(-2)时, 0. 25 mm团聚体的含量及团聚体稳定性显著增强,容重显著减小.③当生物炭施用量为60 t·hm~(-2)时,对土壤有机碳的增加效果表现最优.说明生物炭对土壤团聚体的影响是一个渐进的过程.生物炭施入土壤5 a,其对深层土壤的影响更为显著,20～30 cm土层的土壤容重显著降低, 0. 25 mm团聚体的含量及团聚体稳定性显著增强.从经济效益和改善效果综合考虑,在耕层土壤施入40～60 t·hm~(-2)的生物炭最适.