铈锰改性生物炭对土壤As的固定效应

利用高温热解法在600℃下制备铈锰改性生物炭(modified biochar,MBC),以3种基本性质差异较大的砷(As)污染红壤、黄壤和紫色土为研究对象,探讨了MBC的施用对土壤活性As的影响及固定效应.结果表明:改性生物炭(MBC)的施用导致3种土壤中水溶态As含量显著降低,随着施用量的增加,MBC对As的固定效率不断升高,当添加量为1%～10%时,MBC对3种土壤中活性As的固定效率为:红壤70. 59%～94. 72%,黄壤75. 24%～98. 35%,紫色土为76. 53%～99. 61%,在MBC添加量为10%时,其对3种土壤中有效As的固定效率均达到了95%以上,而未改性生物炭的施用则导致土壤As的活化效应明显.比较而言,MBC对3种土壤中有效As的固定效率大小排序为:紫色土黄壤红壤,MBC的施用导致了土壤中活性态As向稳定态转化,发生了由非专性吸附(F1)、专性吸附态(F2)向结晶水合铁铝氧化物结合态(F4)和残渣态(F5) As的转化过程,使得土壤中As的迁移性能降低,根据扫描电镜(SEM)及X射线衍射分析(XRD)的结果,MBC对As的固定作用与生物炭上铈锰氧化物的成功负载有关.因此,MBC对As污染土壤表现出良好的应用修复潜力.     

生物质炭施用对土壤中氯虫苯甲酰胺吸附及消解行为的影响

分别在黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中添加0.5%(质量分数)生物质炭,采用批处理等温吸附实验及室内消解实验测定了CAP的吸附等温线及消解动态,目的是揭示不同类型土壤中施用生物质炭对残留CAP的环境行为影响规律,为评估生物质炭田间施用综合生态效应,评价土壤残留CAP的环境污染风险提供理论依据.结果表明,生物质炭施用可提高土壤对CAP的吸附活性,但提高程度因土壤性质不同而异.有机质含量较高的黑土中添加生物质炭,吸附农药Kd值提高了2.17%,而有机质含量较低的潮土添加等量生物质炭后则提高了139.13%.生物质炭施入土壤后其对农药吸附活性受到不同程度抑制.与施入土壤前比较,生物质炭施入黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中后吸附常数KF,biochar分别降低了96.94%、90.6%、91.31%、68.26%和34.59%.CAP在黑土、黄壤、红壤、紫色土和潮土中的消解半衰期为115.52、133.30、154.03、144.41和169.06 d,而在添加生物质炭的土壤中消解半衰期分别延长了20.39、35.76、38.51、79.19和119.75 d.与吸附实验结果一致,生物质炭施入黑土对延缓农药土壤消解作用最小,而潮土中施入生物质炭效果最明显.本研究表明生物质炭施入土壤后可增强对农药的吸附作用,延缓农药的土壤消解,但影响程度与土壤性质有关.     

生物质炭及老化过程对土壤吸附吡虫啉的影响

通过批处理恒温振荡法,系统考察了土壤类型(熟化红壤、新垦红壤)、生物质炭种类(竹炭、稻草炭)、生物质炭用量(0、0.1%和0.5%,质量分数)及老化过程(恒湿30 d)对土壤吸附吡虫啉的影响.Freundlich曲线描述的研究结果表明,有机质含量高的熟化红壤对吡虫啉的吸附能力强于有机质含量低的新垦红壤.生物质炭的添加能增强土壤对吡虫啉的吸附能力,且吸附能力随生物质炭施用量的增加而显著提高.添加等量生物质炭,新垦红壤吸附吡虫啉能力的增强效果强于熟化红壤;在同种土壤中添加不同种类的等量生物质炭,新垦红壤添加稻草炭后吸附能力更强,熟化红壤添加竹炭后吸附能力更强.恒湿老化后的处理对吡虫啉的吸附能力与新鲜处理相比明显降低,且添加竹炭的处理比稻草炭处理受老化过程影响更大.     

污泥与稻秆共热解对生物炭中碳氮固定的协同作用

为了研究共热解对生物炭中碳氮固定的协同效应,利用管式固定炉开展了不同热解温度(300~700℃)下的污泥与稻秆单独热解及其共热解(泥秆质量分别为1∶3、1∶1、3∶1)试验研究.结果发现,污泥和稻秆共热解并不是两种物料单独热解贡献的简单叠加.共热解对生物炭产率无协同效应,但对固定碳产率的协同性受共热解条件影响较大.在相同热解温度下,1∶3和3∶1泥秆比共热解生物炭中的碳和氮含量协同量化值均明显大于1∶1泥秆比下的协同量化值,碳和氮元素含量协同量化值分别在热解温度和泥秆比为(400℃、1∶3)与(400℃、3∶1)时达到最大值12.43%与40.65%.碳和氮固定率协同量化值随热解温度的升高而增加,最大分别为53.77%~56.13%和38.30%~39.12%,说明共热解可显著提高生物炭中碳和氮元素的固定水平.除3∶1泥秆比共热解生物炭中H/C原子比大于理论值,对降低生物炭的芳香度与饱和度具协同作用外,其他共热解条件下的H/C、(O+N)/C、O/C原子比均小于理论值,对提高生物炭的稳定性具明显的协同促进作用.污泥与稻秆在泥秆比1∶3、1∶1与3∶1下共热解,提高协同效应的方式分别为促进脱氧去氢反应、去氢反应与脱氧反应.该研究结果可为生物炭在碳氮封存减排中的应用提供新的工艺途径.     

生活污水污泥制备的生物质炭对红壤酸度的改良效果及其环境风险

采用厌氧热解方法由采自南京市生活污水处理厂的2种污泥分别在300、500和700℃下制备生物质炭,测定了污泥和污泥生物质炭的性质和重金属含量,研究了污泥和污泥生物质炭对酸性红壤的改良效果,并探讨了污泥炭中重金属的环境风险,以考察污泥生物质炭在红壤地区农用的可行性.结果表明,污泥和污泥炭中含有一定量的碱,添加污泥和污泥炭均可提高红壤的pH值,但污泥中有机氮的矿化和铵态氮的硝化会引起红壤pH波动.90 d培养实验结束时,500和700℃下制备的污泥炭的改良效果远高于污泥.污泥和污泥炭中含有丰富盐基阳离子,添加污泥和污泥炭提高了土壤交换性钙、镁、钾和钠含量,降低了土壤交换性铝和交换性H+含量.污泥制备成生物质炭后重金属含量有所增加,但除Zn和Cd外,Cu、Pb、Ni和As含量没有超过国家标准.与污泥相比,城东污泥炭中有效态重金属含量显著降低,说明热解过程可以降低有毒重金属的活性.90 d培养实验结束后,添加江心洲污泥和污泥炭处理之间土壤有效态重金属含量差异不显著;添加城东污泥炭处理,土壤大部分重金属的有效态含量低于添加污泥处理.因此,污泥生物质炭可以用作酸性土壤改良剂,与直接添加污泥相比,污泥生物质炭没有增加土壤重金属的活性和生物有效性.     

Role of sorbent surface functionalities and microporosity in 2,2’,4,4’-tetrabromodiphenyl ether sorption onto biochars

The study provides insight into the combined effect of sorbent surface functionalities and microporosity on2,2 ′,4,4 ′-tetrabromodiphenyl ether (BDE-47) sorption onto biochars. A series of biochars prepared underdifferent conditionswere used to test their sorption behaviorswith BDE-47. The extents of sorption behaviorswere parameterized in terms of the single-point adsorption equilibrium constant (Koc ) at three equilibrium concentration (C e ) levels (0.001Sw (solubility), 0.005Sw , and 0.05Sw )whichwasdetermined using the Freundlich model. To elucidate the concentration-dependentdominant mechanisms for BDE-47 sorption onto biochars, K ocwas correlatedwith four major parameters using multiple parameter linear analysis accompaniedwith significance testing. The results indicated that at low concentration (Ce = 0.001Sw ), the surface microporosity term,which represented a pore-filling mechanism, contributed significantly to this relationship,while as concentrationwas increased to higher levels, surface functionality related to surface adsorption began to take thedominant role,whichwas further confirmed by the results of Polanyi-based modeling. Given the above results, adual mode model based on Dubinin-Radushkevich andde Boer-Zwikker equationswas adopted to quantitatively assess the changes of significance of surface adsorption aswell as that of pore fillingwith sorption processdevelopment. In addition, UV spectra of four typical aromatic compoundswhich represented the key structural fragments of biochars before and after interactionswith BDE-47were analyzed todetermine the active functional groups and supply complementary evidence for thedominant interaction force for surface adsorption, based onwhich π-π electron-donor-acceptor interactionwas proposed to contribute greatly to surface adsorption.     

生物质炭对双季稻田土壤反硝化功能微生物的影响

目前,基于田间条件下生物质炭添加对稻田反硝化微生物的调控效应还不甚明确.为此,本研究采用小区试验,通过在双季稻田添加不同量的小麦秸秆生物质炭(0、24和48 t·hm-2,分别用CK、LC和HC代表),结合实时荧光定量PCR(q PCR)和末端限制性片段长度多态性(T-RFLP)分析技术,研究了生物质炭添加对双季稻田休闲季和水稻季土壤反硝化微生物相关功能基因(调控硝酸还原酶的nar G基因,亚硝酸还原酶的nir K基因和氧化亚氮还原酶的nos Z基因)的影响.由于生物质炭呈碱性,添加到土壤后,可提高稻田休闲季土壤p H 0. 2～0. 8个单位.生物质炭本身含有部分可溶性N,因此,添加生物质炭可增加休闲季土壤铵态氮(NH_4~+-N)和硝态氮(NO_3~--N)含量,增幅分别达21. 1%～32. 5%和63. 0%～176. 0%,但由于其吸附作用,降低了水稻季NH_4~+-N含量48. 8%～60. 1%.生物质炭添加增加了休闲季微生物生物量氮(MBN)含量,这可能是由于生物质炭较大的比表面积为微生物生存提供了适宜的环境,可利用养分的增加促进了微生物的生长.与对照相比,休闲季生物质炭引起的NH_4~+-N和NO_3~--N含量增加,促进NH_4~+-N向NO_3~--N的转化,进而增加nar G和nos Z的基因丰度(P0. 05),同时,生物质炭处理p H的提高促进了nos Z的基因丰度的增加,显著改变了反硝化功能基因nar G和nos Z的群落结构,并以此对反硝化作用产生影响,但未对休闲季氧化亚氮(N_2O)排放产生影响.而在水稻季,生物质炭增加了土壤nos Z的基因丰度(P 0. 05),HC处理增加了nir K基因丰度(P 0. 05),这也是导致水稻季HC处理N_2O排放增加的重要原因.生物质炭通过降低水稻季土壤NH_4~+-N含量,改变了nir K和nos Z基因的群落结构,而nar G基因群落结构的变化影响了土壤N_2O排放.综上所述,生物质炭可通过改变双季稻田土壤性质,来影响参与土壤反硝化作用的相关微生物,进而影响土壤N_2O排放及NO_3~--N的淋失.     

氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭除磷性能

通过共沉淀法将氢氧化镧固定在高介孔率的稻壳生物炭上,重点研究了生物炭孔结构、溶液pH和共存物质对氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭吸附磷酸盐的影响.结果表明,镧负载量与生物炭介孔率呈正相关,生物炭介孔率越高,对磷酸盐的吸附速率越快,镧浸出量越低.吸附过程符合伪二级动力学模型,且受颗粒内扩散控制.Langmuir模型能够较好地描述氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭对磷酸盐的吸附过程,理论最大吸附量分别为41.22、43.26和45.62 mg·g^-1,镧利用率较高,P/La量比均大于1.5.此外,氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭能在pH 3~9的范围内有效吸附磷酸盐.共存物质影响实验表明,氢氧化镧改性介孔稻壳生物炭对磷酸盐表现出良好的选择吸附性,共存Ca²⁺会强化其对磷酸盐的吸附,而共存Mg²⁺则会抑制吸附过程.     

针铁矿改性生物炭对砷吸附性能

为了提高生物炭(BC)对砷的吸附能力,本研究选取小麦秸秆作为原料,采用共沉淀方法制备了针铁矿(Goethite)改性生物炭材料(Goethite@BC).比较了BC、Goethite和Goethite@BC对As(Ⅲ)的吸附特性,同时使用SEM-EDS、BET、FT-IR、XRD和XPS等技术对改性吸附剂的理化性质和吸附机制进行表征.结果表明,扫描电子显微镜分析显示有纳米级针铁矿附着在生物炭表面,可有效提高生物炭的比表面积和总孔容; 3种吸附剂对As(Ⅲ)的吸附符合伪二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,Goethite@BC对As(Ⅲ)的最大吸附量为65. 20 mg·g~(-1),与BC相比吸附量提高了62. 10倍. Goethite@BC吸附机制包括非特异性吸附(静电引力)和特异性吸附(配位、络合、离子交换等),纳米针铁矿颗粒在Goethite@BC表面对污染物的吸附起到重要作用. Goethite@BC在污染物修复领域具有很好地应用前景.     

炭基-Co3O4复合材料活化过一硫酸盐降解阿特拉津

利用水热浸渍法制备了生物炭基-Co₃O₄复合材料（Co-OB）,采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪（ATR-IR）等手段对Co-OB进行表征,并研究了其活化过一硫酸盐（PMS）降解阿特拉津（ATZ）的性能,探究了PMS投加量、腐殖酸（HA）和Cl^-对ATZ降解的影响.结果表明,在Co-OB活化投加量0.025g/L,PMS浓度200μmol/L,ATZ浓度20μmol/L,室温条件下10min内ATZ的去除率为86.3%,与生物炭（OB）和Co₃O₄相比,其去除率为后两者之和的2.2倍.随着PMS浓度增加,ATZ去除率显著提高.Cl^-、HA的存在抑制了ATZ的降解,且随Cl^-、HA浓度增加,抑制程度增大.自由基猝灭实验表明·OH和SO₄·^-是ATZ降解的主要活性物种.通过液相色谱-质谱联用仪（LC-MS）分析出6种中间产物,并推测出ATZ的降解途径.稳定性实验表明Co-OB具有重复使用性及低Co²⁺溶出.