生物炭改良剂对小白菜生长及低质土壤氮磷利用的影响

生物炭技术是近年来新兴的具有多重农业和环境效益的土壤改良技术.本研究以宁夏低质淡灰钙土为研究对象,以"中白78"小白菜(Brassica chinensis)为供试作物,分别按0、1.5%、3%和5%(质量分数)的比例添加花生壳生物炭(Biochar,BC)和基于花生壳生物炭研发的生物炭改良剂(BC-based amendment,AD),系统研究了BC和AD对小白菜植株生长、产量及土壤养分利用有效性的影响.结果表明:BC和AD的添加均增加了小白菜的株高和产量,与BC相比,AD对小白菜的增产效果更为显著(BC和AD处理的产量分别为对照的2.34~3.77倍和4.37~4.60倍).各剂量BC处理中,小白菜地上部、根系生物量的顺序为1.5%BC3%BC≈5%BC;而对于AD处理,3种添加量处理的小白菜生物量无显著性差异.增产的主要原因包括两方面:第一是两种材料中主要养分对小白菜生长的直接贡献;第二则是两种材料均促进了小白菜根系的生长,增强了根际效应,从而改变了N、P等土壤养分的利用有效性.BC和AD的加入均增加了小白菜对N的利用有效性,AD促进了小白菜对P的利用有效性.可见,BC和AD均可作为土壤改良剂,改善宁夏低质淡灰钙土的养分状况,提高作物产量.     

Adsorption of Cr(Ⅲ) from acidic solutions by crop straw derived biochars

Cr（Ⅲ） adsorption by biochars generated from peanut, soybean, canola and rice straws is investigated with batch methods. Adsorption of Cr（Ⅲ） increased as pH rose from 2.5 to 5.0. Adsorption of Cr（Ⅲ） led to peak position shifts in the FFIR-PAS spectra of the biochars and made zeta potential values less negative, suggesting the formation of surface complexes between Cr^3＋ and functional groups on the biochars. The adsorption capacity of Cr（Ⅲ） followed the order： peanut straw char 〉 soybean straw char 〉 canola straw char 〉 rice straw char, which was consistent with the content of acidic functional groups on the biochars. The increase in Cr^3＋ hydrolysis as the pH rose was one of the main reasons for the increased adsorption of Cr（Ⅲ） by the biochars at higher pH values. Cr（llI） can be adsorbed by the biochars through electrostatic attraction between negative surfaces and Cr^3＋, but the relative contribution of electrostatic adsorption was less than 5%. Therefore, Cr（Ⅲ） was mainly adsorbed by the biochars through specific adsorption. The Langumir and Freundlich equations fitted the adsorption isotherms well and can therefore be used to describe the adsorption behavior of Cr（Ⅲ） by the crop straw biochars. The crop straw biochars have great adsorption capacities for Cr（Ⅲ） under acidic conditions and can be used as adsorbents to remove Cr（Ⅲ） from acidic wastewaters.     

污泥基生物炭结构的共焦显微拉曼技术应用

采用共焦显微拉曼光谱仪探索不同热解温度(500~900)℃条件下所制备的污泥基生物炭结构变化的表征方法.结果表明,拉曼信号的荧光干扰与生物炭的理化特性有较强的相关性.随着热解温度升高,拉曼漂移系数减小,这与污泥基生物炭挥发分含量、H/C和O/C比变化趋势一致.其中,漂移系数与挥发分含量和H/C的相关性指数分别是0.97和0.94,其变化规律可用来准确评估生物炭挥发分含量和H/C的变化.同时,生物炭在拉曼光谱中的特征峰强度比D/G随着热解温度升高而增强,代表了污泥基生物炭无序化程度增加的过程.谷区域(V)与D峰强度比IV/ID随热解温度升高而减小,表明具有缺陷的稠合芳环结构的比例增加;另外,经分峰拟合后得到的ID1/IG1变化较小,而ID2/IG2呈增加趋势,证实了小分子侧链基团断裂形成的化合物部分沉积在炭表面,形成缺陷和非晶结构;IG1/IG2随着热解温度升高而减小,表明了炭基材料键角有序与无序比随着热解温度的升高而降低.因此,拉曼光谱可用于表征污泥基生物炭的微观结构变化,反映其结构演变规律.     

改性生物炭负载纳米零价铁去除水体中头孢噻肟

抗生素对环境的危害已经引起了人们的广泛重视.本实验以改性生物炭(MB)为载体制备了负载纳米零价铁的功能生物炭(Fe/MB).以头孢噻肟(CFX)为目标抗生素,研究了该材料对头孢噻肟的降解特性及影响因素,并探讨了去除机理.实验结果表明,50 min内头孢噻肟的去除率为92%(Fe/MB用量为0.4 g·L~(-1),溶液p H=5.0,头孢噻肟浓度为20 mg·L~(-1),振荡速率为200 r·min~(-1),柠檬酸浓度为1.47 mmol·L~(-1)).头孢噻肟的去除过程存在改性生物炭的吸附和纳米零价铁还原降解的协同作用,数据符合伪二级反应动力学方程(R20.99).采用紫外可见光谱结合质谱分析了降解产物的结构并提出头孢噻肟的降解途径.     

生物炭添加和灌溉对温室番茄地土壤反硝化损失的影响

生物炭添加和灌溉是番茄地常用的田间管理措施,然而其对反硝化的影响还不清楚.本研究种植试验设置3个灌溉量水平分别为估算作物生育期需水量ET0的50%(W50%)、75%(W75%)、100%(W100%)和3个生物炭添加水平分别为B0(折合纯碳,0)、B25(折合纯碳,25 t·hm-2)、B50(折合纯碳,50 t·hm-2),在2014年和2015年番茄收获后,每个试验小区采集具有代表性的土样进行室内培养试验,采用乙炔抑制法来研究土壤的反硝化损失和不加乙炔研究N_2O的排放量.结果表明生物炭和灌溉量显著改变了土壤的理化性质.与B0相比,添加生物炭能够提高土壤全碳、全氮含量和pH值,降低铵态氮、硝态氮含量,而灌水量降低了土壤中全氮和全碳的含量.因此,与B0/W50%相比,B25/W75%和B50/W100%处理显著减少了反硝化损失量(P0.05).生物炭和灌溉量的交互作用对土壤无机氮含量和反硝化损失的影响均达到显著水平(P0.05),且对硝态氮的影响表现为灌溉量生物炭添加量两者交互作用,对铵态氮的影响表现为生物炭添加量灌溉量两者交互作用,对反硝化损失的影响表现为灌溉量生物炭添加量两者交互作用.反硝化损失量与土壤中无机氮含量、(CO_2-C)矿化量与N_2O排放量均呈正相关关系.不同生物炭添加量和灌溉量处理后明显影响了N_2O/DN(P0.05),培养结束时,各处理下的N_2O累积排放量/DN累积排放量差异较大,介于0.31%~1.88%.     

玉米秸秆生物炭对稻田土壤砷、镉形态的影响

通过室内土壤培养的方法模拟稻田土壤环境,研究淹水环境下添加(1%添加量)不同温度制备的玉米秸秆生物炭(CB-300、CB-400、CB-500)对砷、镉复合污染稻田土壤氧化还原电位(Eh)、pH值及不同形态砷、镉含量动态变化的影响.结果表明,热解温度会影响玉米秸秆生物炭的理化性质,热解温度由300℃升至500℃,玉米秸秆生物炭芳香性增加,亲水性和极性降低,灰分含量增加,pH值升高.淹水环境下添加玉米秸秆生物炭处理相比对照(CK)可提高土壤pH值0.20~1.24,升高幅度大小为CB-500CB-400CB-300CK,随着培养时间的延长,pH值趋于平衡状态;淹水环境下土壤氧化还原电位均迅速下降,且不同处理组间存在显著差异,生物炭制备温度越高下降效果越明显,培养至第96 d时氧化还原电位降到最低.CK、CB-300、CB-400、CB-500处理组弱酸可提取态镉含量由淹水前的73.55%分别降至63.46%、57.73%、54.50%、53.94%,随着培养时间的延长,土壤中弱酸可提取态及可氧化态镉逐渐向残渣态及可还原态镉转化.土壤pH值与弱酸可提取态镉含量之间呈显著负相关关系.淹水环境下土壤可交换态砷含量升高,玉米秸秆生物炭的施加导致土壤交换态、Ca-结合态、Al-结合态和Fe-结合态砷含量逐渐上升,上升幅度分别为75.68%、20.92%、13.49%、48.66%,残渣态砷含量下降;土壤pH值与交换态砷含量之间呈显著正相关关系.研究结果可为砷、镉复合污染稻田安全生产与阻控提供数据支持.     

Removal of Cu(II) from acidic electroplating effluent by biochars generated from crop straws

The removal efficiency of copper(Cu(Ⅱ)) from an actual acidic electroplating effluent by biochars generated from canola,rice,soybean and peanut straws was investigated.The biochars simultaneously removed Cu(Ⅱ) from the effluent,mainly through the mechanisms of adsorption and precipitation,and neutralized its acidity.The removal efficiency of Cu(Ⅱ) by the biochars followed the order:peanut straw char > soybean straw char > canola straw char > rice straw char a commercial activated carbonaceous material,which is consistent with the alkalinity of the biochars.The pH of the effluent was a key factor determining the removal efficiency of Cu(Ⅱ) by biochars.Raising the initial pH of the effluent enhanced the removal of Cu(Ⅱ) from it.The optimum pyrolysis temperature was 400°C for producing biochar from crop straws for acidic wastewater treatment,and the optimum reaction time was 8 hr.     

两种木材生物炭对铜离子的吸附特性及其机制

为探索高效利用废弃生物质资源制备生物炭去除水体和土壤中Cu~(2+)污染的可行性,本文以常见的农林废弃物苹果树枝和梧桐木锯末为原料,采用450℃限氧热裂解法制备生物炭,通过两种生物炭对Cu~(2+)的批量吸附试验,利用4种等温吸附模型(Langmuir、Freundlich模型、Temkim、D-R模型)和4种吸附动力学模型(准一级动力学、准二级动力学、Elovich模型、颗粒内扩散模型)研究了苹果枝和锯末生物炭对Cu~(2+)的吸附行为.同时,使用FTIR红外、SEM和BET比表面积及孔径分析等技术表征了生物炭的理化性质,研究了两种生物炭对Cu~(2+)吸附机制,分析了两种生物炭之间的吸附特性差异及其影响因素.结果表明:(1)苹果枝生物炭在3 h达到吸附平衡,理论最大吸附量为15.85 mg·g~(-1),锯末生物炭在6h达到吸附平衡,理论最大吸附量为17.44 mg·g~(-1),与其他研究相比,这两种生物炭体现了较高的Cu~(2+)吸附性能;(2)两种生物炭对Cu~(2+)的热力学吸附均较好地符合Langmuir模型,表明吸附过程主要是近似单分子层的有益吸附;动力学吸附均符合准二级吸附动力学模型,表明其对Cu~(2+)的吸附包括表面吸附、颗粒内扩散和液膜扩散等多种过程;(3)吸附机制主要包括静电吸附,配体(酚羟基)/离子(H+)交换和阳离子—π键作用.     

互花米草生物炭的添加对土壤吸附三氯生的影响及其机制研究

互花米草作为入侵物种,在我国沿海分布广泛,对沿海生态造成负面影响.本研究以互花米草资源化利用为出发点,在300℃和600℃下将其热解分别制得BC300和BC600两种生物炭,采用批量平衡法研究了生物炭添加对土壤吸附三氯生(TCS)的影响及其机制.结果表明,BC300内含有未炭化有机质,对TCS的吸附以分配作用为主,有利于对高浓度TCS的吸附;BC600有较大的比表面积,对TCS的吸附以表面吸附为主,有利于对低浓度TCS的吸附.生物炭添加能够促进土壤对TCS的吸附,且吸附量随生物炭添加比例的增加而增加;添加BC300的土壤对TCS的吸附量要显著高于添加BC600的土壤,这主要与生物炭的结构特征及其对土壤p H值的影响有关.因此,添加300℃下制备的互花米草生物炭可以有效地降低土壤中TCS的环境风险,同时也能为护花米草的资源化利用提供一条可行途径.     

铁修饰的污泥生物炭对污泥脱水性能的改善效果

为改善城市污水处理厂污泥的脱水性能,采用铁修饰污泥生物炭作为助滤剂,与FeCl₃一起对污泥进行联合调理。以污泥净产率、污泥比阻和泥饼含水率评价污泥脱水性能;通过污泥Zeta电位、扫描电镜、EDS和泥饼可压缩性系数分析该方法的机理;同时,通过对污泥胞外聚合物、重金属以及总氯含量的分析,探究其调理污泥的环境风险,以明确该方法用于改善污泥脱水性能的可行性。结果表明,在500 ℃下制备的铁修饰污泥生物炭(30%)和FeCl₃(12.82%)联合调理时,污泥脱水的效果最佳;与仅用FeCl₃(12.82%)调理的污泥相比,污泥净产率升高了73.38%、污泥比阻降低了68.75%、泥饼含水率降低了9.03%。在较高温度下制备的铁修饰污泥生物炭,其孔隙结构更为发达、表面铁元素含量更高;与FeCl₃联合调理污泥时,更容易发生絮凝,从而使泥饼的渗透性能更好。而且,在联合调理的条件下,污泥中溶解型、松散结合型和紧密结合型胞外聚合物的含量均有所降低;污泥泥饼中重金属(Cd、Cr、Cu、Pb、Zn)更为稳定,泥饼热解固相产物和非固相产物中总氯含量降低,环境生态风险更小。采用铁修饰污泥生物炭作为助滤剂,可改善污泥脱水性能,并具有实际应用的潜力。