秸秆生物炭对有机染料的吸附作用及机制

研究了裂解温度分别为500℃和700℃的两种水稻秸秆生物炭(分别标记为W500、W700)对有机染料日落黄和亚甲基蓝的吸附作用及机制.同时,针对实际印染废水的特点,考察了反应温度、p H和硫酸盐对吸附去除效率的影响.结果显示,生物炭对两种染料的吸附均符合准二级动力学方程,等温吸附曲线均可用Freundlich模型较好地描述,但其对两种染料的吸附机制显著不同.生物炭对阳离子染料亚甲基蓝的吸附主要通过离子交换作用,随着生物炭裂解温度升高,其极性基团减少,离子交换作用减弱.生物炭对阴离子染料日落黄的吸附则主要通过生物炭芳香结构与日落黄分子芳环之间的π-π相互作用,随裂解温度升高,生物炭芳香化程度增大,π-π作用随之增大;生物炭对两种染料的吸附去除效率均随反应温度的升高(5~45℃)而增大,且在3p H11、硫酸盐浓度25~2500 mg·L~(-1)的变化范围内,吸附去除效率均保持稳定.     

裂解温度对新疆棉秆生物炭物理化学性质的影响

生物质的裂解温度影响其所生产的生物炭炭的物理和化学性质,进而影响其田间应用效果。棉花秸秆是干旱区特别是新疆地区的主要农业生物质资源,其生物炭利用途径有望克服现有秸秆利用途径的不足,但对棉秆生物炭理化性质及其变化的认识还很缺乏。本文在不同的裂解温度下对新疆棉秆生物炭物理和化学性质进行研究,发现随着裂解温度的升高,生物炭的产率、阳离子交换量、O/C和H/C值降低,p H、电导和持水性能提高,Na+、K+趋势不明显,Cl-和SO2-4等盐碱化离子以及Ca~(2+)、Mg~(2+)营养元素含量随温度的升高降低;C、N、S、C/N和灰分等均提高,NH+4-N在550℃碳化条件下含量最高。因此在田间应用中,应针对土壤特点和解决的问题,调控碳化温度,从而达到趋利避害的目的。     

生物炭吸附雨水径流难生物降解有机氮效能及机制

有机氮（ON）在雨水径流氮素污染中起关键作用,但多数研究只关注可生物降解有机氮的生物转化去除,忽略了占比较高的难生物降解有机氮.以生物炭作为吸附剂,探究其对雨水径流典型难生物降解有机氮（吲哚）的吸附效能及机制.结果表明,原始生物炭对吲哚有较高的单位吸附量（45 mg·g^-1）,生物炭投加浓度为0.4 g·L^-1时其表面平均吸附位点利用度最高.H₂O₂和NaOH改性生物炭对吲哚的吸附量是原始生物炭的1.3倍和1.6倍,吸附机制包括疏水相互作用、氢键和π-π电子供体-受体（π-π EDA）作用,以疏水相互作用为主,其中H₂O₂改性通过增加生物炭表面含氧官能团来加强氢键和π-π EDA作用,而NaOH改性生物炭通过大幅提高生物炭比表面积来加强疏水相互作用,故NaOH改性吸附效果更优.综上,生物炭对难生物降解有机氮具有较强去除作用,通过NaOH改性还能大幅提高效率,故在雨水径流氮素污染较高的地区把NaOH改性生物炭作为生物滞留池中的填料有着极大的应用潜力.     

磁性氧化铁/桑树杆生物炭的制备及其对砷污染土壤溶解性有机碳和砷形态的影响

以桑树杆为原料,制备了原始桑树杆生物炭（M-BC）及磁性氧化铁/桑树杆生物炭（Fe-BC）并对其进行表征.通过土壤培养实验,研究了3个温度下炭化制备的Fe-BC和M-BC在不同培养时间对土壤浸出液溶解性有机碳（DOC）和土壤砷（As）形态等的影响.结果表明：①Fe-BC负载的铁氧化物主要为Fe₃ O₄,且有磁性,主要官能团有C＝O双键、O—H键、C—O键和Fe—O键;Fe-BC-400、Fe-BC-500和Fe-BC-600的pH_zpc分别为8.92、8.74和9.19,比表面积分别为447.412、482.697和525.708 m² ·g^-1.②土壤浸出液中ρ（DOC）随着M-BC和Fe-BC炭化温度的升高而分别降低11.6~315.6 mg ·L^-1和78~365.6 mg ·L^-1,土壤浸出液中DOC浓度与土壤电导率（EC）值呈负相关;在培养第35 d,添加Fe-BC-600的土壤浸出液中As浓度比对照组土壤浸出液中的降低了55.96%.土壤浸出液中As浓度与DOC浓度相关性不显著.③添加Fe-BC的土壤有效态As占比均低于对照组的,在培养第35 d时,Fe-BC-600可使土壤有效态As占比降低39.21%.④在培养第35 d时,添加M-BC的土壤残渣态As含量减少了17.76%~49.11%,添加Fe-BC-600的土壤残渣态As占比增加了80%.Fe-BC-600最有利于降低土壤溶液DOC浓度,提高残渣态As含量,从而降低土壤As生物有效性.研究可为磁性氧化铁/生物炭在砷污染土壤修复提供理论依据.     

牛粪生物炭对水中氨氮的吸附特性

以牛粪生物炭为吸附剂,研究了p H、粒径、投加量、温度和共存阳离子等因素对牛粪生物炭吸附氨氮的影响及吸附特性.结果表明,共存阳离子Na+、Ca2+的存在对牛粪生物炭吸附氨氮有抑制作用,在Na+、Ca2+浓度相同条件下对氨氮吸附影响大小顺序为Na+Ca2+;牛粪生物炭吸附氨氮的最佳初始p H值应在5~8范围;通过对动力学数据进行分析,发现准二级动力学方程(R2=0.967 3)比准一级动力学方程(R2=0.765 9)和Elovich方程(R2=0.724 9)能更好地拟合动力学数据,颗粒内扩散方程拟合结果发现牛粪生物炭对氨氮的吸附包括表面吸附和颗粒内扩散两个过程.吸附等温线拟合发现Freundlich方程(R2=0.976 2)能很好地描述氨氮在牛粪生物炭上的吸附行为.吉布斯自由能变化(ΔGθ)、焓变(ΔHθ)和熵变(ΔSθ)的计算结果表明,牛粪生物炭对氨氮的吸附是自发的吸热过程.     

生物炭输入对土壤本体有机碳矿化的影响

近年来,生物炭应用于土壤后其碳汇能力已成为国内外的研究热点,但是目前研究结果显示其碳汇功能仍然存在争议,生物炭与土壤本体有机碳之间的作用关系还有待探明.研究以水稻土(C3土壤)为供试土壤,向其中添加以水洗(CS)和未水洗(CN)方式处理的玉米(C4作物)秸秆生物炭,生物炭分别按1%和3%(CS1%、CS3%和CN1%、CN3%)的质量比与C3土壤均匀混合,以不添加生物炭(CK)为对照处理,每个处理重复3次,开展室内培养实验,探讨生物炭添加对土壤有机碳矿化的影响.结果表明:1在180 d的培养期内,CS1%、CS3%、CN1%这3种处理的土壤CO2累计释放量分别为1 865.7、1 864.4和1 856.2 m L·kg-1,均高于对照土壤CK的1 779.0 m L·kg-1,但未形成显著差异.处理CN3%的CO2累计释放量最大,为2 289.1m L·kg-1,明显高于其他处理及对照土壤.说明较高添加量下,水洗生物炭CS处理减排效果明显;2同位素分析结果显示,CK处理土壤的本体有机碳的CO2累计释放量最高,达到1 534.2 m L·kg-1,CS3%与CN3%处理土壤本体有机碳的CO2累计释放量分别为1 000.4 m L·kg-1和1 153.7 m L·kg-1,均明显低于对照处理,说明2种生物炭的添加均能抑制土壤本体有机碳的矿化.激发效应的结果也验证了这一点,CS3%处理土壤的激发效应PE值为-34.8%,处理CN3%的PE值为-24.8%,CS生物炭的负激发效应更显著.     

生物炭和有机肥对华北农田盐碱土N2O排放的影响

基于山东滨州地区冬小麦-夏玉米轮作大田试验,探究了施用生物炭和有机肥对夏玉米季土壤氧化亚氮(N_2O)排放的影响,为盐碱土壤N_2O增汇减排提供理论依据.试验按照不同处理氮、磷、钾含量相同原则,设置对照CK[N:0.2t·(hm~2·a)~(-1),P_2O_5:0.12 t·(hm~2·a)~(-1),K_2O:0.2 t·(hm~2·a)~(-1)]、C1[5 t·(hm~2·a)~(-1)生物炭]、C2[10 t·(hm~2·a)~(-1)生物炭]、C3[20 t·(hm~2·a)~(-1)生物炭]、M1[7.5 t·(hm~2·a)~(-1)有机肥]、M2[10 t·(hm~2·a)~(-1)有机肥]这6个处理.结果表明,施加生物炭和有机肥对土壤N_2O排放影响趋势基本一致,排放高峰均出现在施肥(基肥和追肥)后,累积排放量占整个生育期排放量的近一半;与CK相比,C1、C2分别降低N_2O排放的45.3%、31.6%,而C3、M1、M2分别增加了17.3%、37.4%、27.6%.施加生物炭和有机肥均会对土壤N_2O排放产生影响,施加生物炭可以降低N_2O排放,而施加有机肥则促进了N_2O排放.因此,生物炭对减少农田N_2O排放具有巨大潜力.     

羧酸类药用活性化合物在生物碳质上的吸附特性

为研究生物碳质吸附在处理水土环境中羧酸类PhACs（药用活性化合物）的作用,通过比表面积、红外光谱、元素分析及电镜扫描对商业水稻秸秆生物碳质的结构与性质进行了讨论,同时研究了生物碳质对不同初始pH及不同初始质量浓度的五种羧酸类PhACs[KTP（酮洛芬）、IBP（布洛芬）、NPX（萘普生）、ASP（阿司匹林）、SYA（水杨酸）]吸附特征的影响.结果表明:吸附过程包括前期快速吸附和后期缓慢吸附至平衡两个阶段;在第一阶段,外表面吸附与大孔及中孔扩散是控制吸附的机制,在第二阶段,生物碳质内表面吸附及基质在微孔中的扩散是影响吸附的主要机制.初始pH为6.0~7.0时,等温吸附数据符合Freundlich吸附等温方程,反映了非均匀性表面的吸附特性.五种羧酸类PhACs在生物碳质上的吸附能力[通过K_d,0.01（特定液相浓度下的单点分配系数）表达]表现为NPX（24.30 g/L）> IBP（15.82 g/L）> KTP（10.44 g/L）> SYA（2.64 g/L）> ASP（1.24 g/L）.溶液初始pH变化对所选PhACs的吸附量有显著影响,初始溶液pH处于pKa±1.0范围内时,所选吸附质的吸附量达到最大值,随着初始pH的升高,所选PhACs主要以阴离子形式存在,同时生物碳质表面负电性增加,增强的静电斥力减弱了氢键作用.研究显示,氢键作用在生物碳质吸附PhACs过程中起到主要促进作用,除此之外,还受到范德华力及π-π电子供受体等多种作用驱动.      

凤眼莲源生物炭对土壤As、Hg、Cd溶出特性与化学形态的影响

以我国典型水生入侵植物凤眼莲为前体制备了生物炭(BCW)和负载铁生物炭(BCW-Fe),在对其理化特性进行充分表征的基础上,系统分析了这2类生物炭对金矿冶炼区酸性复合污染土壤中As、Hg、Cd的钝化修复效果.水浸与酸浸实验表明,5%(质量分数)BCW与5%(质量分数)BCW-Fe处理分别使土壤As浸出浓度降低91.4%~91.6%和64.9%~96.8%,Hg浸出浓度由0.03~0.04μg·L-1降低至0~0.02μg·L~(-1);而2种材料对Cd的钝化优势分别出现在中性和酸性浸出条件下.重金属形态分析结果显示,2种生物炭处理均使As、Hg、Cd由植物可利用性较高的可交换态和碳酸盐结合态向较为稳定的铁锰氧化物与有机物结合态转化.其中,BCW与BCW-Fe的加入分别使可交换态与碳酸盐结合态As总量减少0.3%和3.1%,使这2种非稳态Hg总量分别减少2.3%和3.4%,使这2种形态Cd总量分别减少7.7%和14.9%.综合以上研究结果,凤眼莲负载铁生物炭提供了一种能够在我国广泛分布的酸雨沉降地区内实现对复合污染土壤中As、Hg、Cd同步稳定钝化的有效材料,与此同时,该方法有利于实现对入侵植物的有效管理和应用土地系统进行长期固碳.     

秸秆/生物炭施用对关中地区小麦-玉米轮作系统净增温潜势影响的对比分析

为探讨秸秆、生物质炭施用对小麦-玉米轮作系统固碳减排效应,利用静态暗箱-气相色谱原位监测小麦-玉米轮作系统条件下秸秆、生物质炭施用对土壤CO_2、CH4和N_2O 3种温室气体排放、作物产量、土壤有机碳以及净增温潜势的影响.试验处理设置为:空白对照(CK)、常规施肥(F)、施肥并施用8 t·hm-2秸秆(FS)、施肥并施用8 t·hm-2生物质炭(FBlow)和施肥并施用16 t·hm-2生物质炭(FBhigh)共5个处理.结果表明:与F处理相比,FS、FBlow及FBhigh处理下小麦产量分别提高了30.9%、66.3%和36.6%;对于玉米产量而言,FS,CK及FBhigh处理下玉米产量分别降低了14.1%、18.0%和24.6%,但是FBlow处理下对玉米产量没有显著性的影响.与F处理相比,FS处理下土壤CO_2的年排放总量增加了60.2%,但是FBhigh处理下土壤CO_2的年排放总量减低了14.4%;生物质炭的施用降低了土壤N_2O的排放,与F处理相比,FBlow和FBhigh处理下分别减低了27.6%和38.7%,而秸秆的施用对N_2O的排放没有显著性的影响.总的来说,与F处理相比,FBlow和FBhigh处理下净增温潜势分别降低了24.13和58.44 t·hm-2,单位产量的净综合增温潜势分别降低了1.78和5.06 t·t-1.综上所述,对于小麦-玉米轮作体系而言,施用16 t·hm-2生物质炭可作为一种提高作物产量并降低净增温潜势的良好措施.