土壤中生物炭对罗丹明B的吸附能力评估研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZJUCS
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生物炭是由生物质在无氧的条件下高温热解的产物,具有比表面积大、孔隙多和官能团丰富的特性,是一类极佳的土壤改良剂和环境污染物吸附剂,受到人们的广泛关注。现有研究发现,生物炭对多数环境污染物有较好的吸附性能,将其应用于受到污染的水体和土壤中,能吸附大部分污染物。有机染料污染物是环境污染物中比较普遍的一类,主要来源于印刷业、化妆业、造纸制革业和医药业。它对自然环境的污染和影响很大,对人类有致畸和致癌的风险。前人研究发现,生物炭对水体和土壤中的有机污染物有良好的吸附效果,其在水体中的吸附效果通常会高于土壤中。由于土壤特性和水体特性的明显差异,将生物炭施入土壤中时,再依据生物炭在水体中对污染物的吸附能力去评价生物炭在土壤中的吸附能力则并不合理,主要是生物炭在土壤中受到土壤有机质、矿物和微生物等因素的影响,如何评估研究生物炭在土壤中的吸附能力,是目前亟需开展的工作,这对生物炭在土壤中的应用有着切实的指导意义。科学研究已经证实,生物炭在土壤中的吸附能力受到土壤的影响,土壤溶解性有机质在吸附过程中有着重要的影响,其可能会阻塞生物炭的表层孔隙,使生物炭被土壤颗粒包裹,从而阻碍了生物炭和有机污染物分子间的相互接触,从而削弱了生物炭在土壤中的吸附能力。因此本研究以玉米秸秆生物质为原料制备生物炭,有机污染物罗丹明B为目标污染物,选取有机质含量差异大的红壤和腐殖土为研究对象,评估生物炭在土壤中对罗丹明B吸附能力。得到的主要研究结论为:(1)玉米秸秆原生质和生物炭因其表面丰富的官能团(羟基、羧基、羰基等)和巨大的比表面积(3.22-485.48 m~2/g),对罗丹明B有较好的吸附效果(其最大吸附量达到了25.22-59.71 mg/g),水洗作用和罗丹明B的初始浓度的增加可以提高生物炭的吸附量,这是因为水洗使得生物炭更多的孔隙得以暴露,增加了比表面积和孔隙度,增强了生物炭吸附孔位和罗丹明B分子的相互作用,进一步提高了最终的吸附量,伪二级动力学拟合和Langmuir等温吸附模型对生物炭吸附罗丹明B的拟合效果更好,说明吸附过程以化学吸附和单分子层吸附为主,并伴随一定的物理吸附作用。(2)将原生质和生物炭添加到红壤中,发现原生质和生物炭的吸附能力显著降低,并观察到BC350、WBC350、BC700、WBC700与红壤的混合组分的实际吸附能力明显小于理论吸附能力,这可能是因为土壤有机质组分堵塞或包裹了生物炭的部分吸附孔位,影响了生物炭与罗丹明B分子的接触,降低了生物炭的吸附能力。原生质和生物炭的添加增加了红壤对罗丹明B的吸附量,水洗炭使得更多的孔隙得以暴露,能进一步增加红壤的吸附能力,原生质和水洗原生质与红壤的混合组分对罗丹明B的实际吸附能力大于理论吸附能力,这是由于其含有更丰富的官能团,亲水性和极性更强,对罗丹明B的吸附能力更强。(3)将原生质和生物炭加入腐殖土中,在不同罗丹明B浓度下,观察到混合体系的实际吸附能力大于或等于理论吸附能力,说明腐殖土并未降低生物炭的吸附能力,相反,生物炭的添加增加了腐殖土的吸附能力。在200 mg/L的罗丹明B浓度下,原生质、水洗原生质、BC350、WBC350、BC700、WBC700与腐殖土混合体系的实际吸附能力大于理论吸附能力,6种材料的添加增加了腐殖土对罗丹明B的吸附量,其中BC350和WBC350的增加量最多。在100 mg/L的罗丹明B浓度下,BC350和WBC350与腐殖土混合体系的实际吸附能力略大于理论吸附能力,这2种材料增加了腐殖土的吸附能力,但增加量较小。而在50 mg/L的罗丹明B浓度下,6种材料与腐殖土混合体系的实际吸附能力与理论吸附基本能力一致,低浓度情况下,生物炭的添加并没有增加腐殖土的吸附能力。(4)不同生物炭对土壤吸附罗丹明B的影响有较为明显的差异,将生物炭分别与红壤和腐殖土混合,发现生物炭对红壤吸附能力的提升效果更为显著,其最大吸附量提升了1.19-4.52倍,而生物炭对腐殖土最大吸附量提升了1.05-1.52倍,这是由于土壤性质的不同,红壤中有机质含量低于腐殖土,而研究发现,土壤有机质含有丰富的溶解性有机质,其成分包括蛋白质、脂肪类和糖类等,这些物质由于表面具有丰富的官能团,如羟基、羧基等,提供了较多的吸附位点,对有机污染物有明显的吸附效果。而生物炭的吸附能力低于腐殖土,高于红壤,生物炭的添加对红壤吸附能力的提升更大。
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