秸秆生物炭吸附对乙酰氨基酚的机制及其位能分布特征

作为药品和个人护理产品（PPCPs）中用量最大的一类,对乙酰氨基酚广泛存在于水环境中,具有潜在的环境风险;因此,有必要对其去除机制开展研究.基于我国农业秸秆资源高值转化的需求,通过热解制备秸秆生物炭吸附净化水中对乙酰氨基酚具有良好的应用前景.然而秸秆生物炭对对乙酰氨基酚的吸附过程和机制尚不清楚.选用4种秸秆（稻秆、麦秆、玉米秆和大豆秆）作为原料,通过热裂解在400℃和500℃制备生物炭,进行序批吸附实验,同时研究腐殖酸和pH对吸附过程的影响.结果表明,基于Freundlich模型和位置能量分布模型可知,500℃生物炭对对乙酰氨基酚的吸附量显著高于400℃生物炭（吸附系数K_F高出1.16~2.53倍）,且具有较多的高能吸附位点.高温热解生物炭的主要吸附机制为孔道吸附和π-π作用;低温热解生物炭的主要吸附机制为表面氢键作用.腐殖酸对对乙酰氨基酚在生物炭上的去除具有协同效应,这归因于所选腐殖酸具有一定芳香性,可促进与对乙酰氨基酚的相互作用.pH升高抑制生物炭吸附主要归因于对乙酰氨基酚团聚.吸附机制研究表明,可通过提高热解温度促进对乙酰氨基酚在秸秆生物炭上的孔道吸附和π-π作用;腐殖酸和pH影响研究表明,秸秆生物炭与对乙酰氨基酚的相互作用不受腐殖酸影响,在低pH环境下也具有良好吸附性能.     

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%.     

浒苔生物炭与木醋液复配改良碱化土壤效果及提高油葵产量

为探究浒苔生物炭与木醋液复配改良碱化土壤效果及提高作物产量,以龟裂碱土为例,通过田间试验研究不同生物炭施加量(0、1％、2％和4％)与不同木醋液稀释倍数(0、2％)复配对土壤pH、碱化度、全盐、容重、速效磷、有机质、盐分离子、油葵生长和产量的影响,不施加生物炭和木醋液视为对照(CK).结果表明,2％浒苔生物炭+2％木醋液(V2BC2)改良龟裂碱土的综合效果最佳;在最佳处理条件下:①浒苔生物炭与木醋液复配能改善土壤理化性质,具体表现为作物生长期内土壤平均pH、碱化度和全盐含量显著降低,较CK分别降低12.14％、40.63％和42.75％,土壤容重显著减小,较CK减小20.78％;②浒苔生物炭与木醋液复配能显著降低土壤Na+、Cl-和SO42-含量,较CK分别降低47.17％、45.32％和33.33％,提高土壤K+和Ca2+含量,其他离子含量的差异不显著;③浒苔生物炭与木醋液复配显著提高土壤养分含量及有效性,增强土壤酶活性,与CK相比,速效磷提高2.88倍,有机质提高58.76％,土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性分别提高0.92、1.02和2.29倍;④油葵产量在V2BC2处理时最高,为3 546.7 kg-hm-2,较CK增产2 325.3 kg-hm-2.因此,浒苔生物炭与木醋液复配能进一步提高盐碱土改良效果及作物产量.     

生物炭对三氯生的吸附热动力学研究

以玉米秸秆、皇竹草和花生壳为原料制备成玉米秸秆生物炭(BCcs)、皇竹草生物炭(BCn)、花生壳生物炭(BCps),采用CEC、等电点滴定,表面官能团分析,元素分析、FT-IR、扫描电镜等方法对3种生物炭进行表征,采用单因素静态吸附实验方法考察了生物炭吸附三氯生的主要影响因素.结果表明:CEC和表面官能团数量排序为BCcsBCnBCps,BCcs极性和亲水性更强,孔结构发育更加完善,其次是BCn,BCps的极性和亲水性最弱,孔隙极少.3种生物炭对三氯生的吸附去除率均随着三氯生初始浓度的升高而升高,随着温度的升高而降低,酸性更有利于吸附实验的进行.低离子强度有利于BCcs和BCn吸附三氯生,BCps则相反.在10、25、40℃3种温度下,3种生物炭对三氯生的吸附均更符合准二级反应动力学,Freundilich等温方程和Langmuir等温方程都能描述这3种生物炭对三氯生的吸附行为,吸附反应属于自发、放热反应.吸附机制主要为物理吸附,生物炭与三氯生之间无化学键、配位基交换等强作用力.     

硫脲改性猪粪生物质炭对模拟农田径流中镉和草甘膦吸附特征

为同时去除农田地表径流中的重金属和农药,利用猪粪制备未改性猪粪生物质炭（简称"未改性生物质炭"）和硫脲改性猪粪生物质炭（简称"改性生物质炭"）,分析比较硫脲改性对生物质炭的pH、元素组成、表面含氧官能团和巯基含量等理化性质的影响,并系统地研究了单一和复合污染体系中初始浓度对两种生物质炭吸附水溶液中镉（Cd）和草甘膦效率的影响.结果表明:①与未改性生物质炭相比,改性生物质炭的pH、O/C（原子比）和H/C（原子比）降低,比表面积增大,含氧官能团和巯基含量增加.②与未改性生物质炭相比,改性生物质炭对Cd和草甘膦的吸附能力增强,最大表观吸附量（Q_max）增加了近3倍;随着Cd和草甘膦初始浓度的增加,未改性和改性生物质炭对Cd和草甘膦的吸附量逐渐增加,增加量最高分别达18.52%和7.60%.③单一污染体系中两种生物质炭对Cd或草甘膦的吸附更符合Langmuir等温吸附模型,说明其对Cd或草甘膦的吸附机理是单分子层的吸附起主导作用.④复合污染体系中,未改性和改性生物质炭对Cd的吸附能力分别增加了25.28%和21.26%,未改性生物质炭对Cd的最大表观吸附量增加了29.34%,但改性生物质炭对Cd的最大表观吸附量降低了47.28%;未改性和改性生物质炭对草甘膦的吸附能力减弱,但最大表观吸附量分别增加了2.63和3.45倍.研究显示,硫脲改性猪粪生物质炭作为一项有前景的新技术,为解决实际环境中的复合污染问题提供了经济环保的技术手段.      

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.     

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.     

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.