生物炭改性及其对铬(Ⅵ)污染土壤的吸附效应

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生物炭由于其多孔结构及较大的比表面积广泛的应用于土壤改良,增加土壤的持水能力及改善土壤重金属污染。随着电镀、化工等行业的发展,同时排放监管等情况的不到位,含铬(Ⅵ)废水大量的排放及铬(Ⅵ)渣等危险废物随意堆放给周边土壤及地下水环境造成一定的污染。叶菜类植物由于其自生特性,很容易吸收重金属,并通过生物链富集,危害人类的身体健康。近年来,利用生物炭修复重金属污染土壤成为了研究的热点,利用物理、化学、生物等方法改性生物炭可以改善生物炭的性能。由于H2O2分解物为水和氧气,本论文选用H2O2改性生物炭,改变其孔隙结构及比表面积等,将其施加于土壤中可以修复铬(Ⅵ)污染的土壤。但随着研究深入,使用H2O2改性其浓度变化对生物炭的影响存在差异性。针对这一问题,研究改性生物炭的材料是有必要的。论文以小麦秸秆为原材料,以350℃、500℃、650℃三种制备温度为变量,在隔绝氧气的条件下制备原始生物炭(WS350℃、WS500℃、WS650℃)。并使用不同浓度梯度的H2O2对其进行改性(5%、10%、15%、20%),制得改性生物炭。使用傅里叶红外光谱仪(FTIR)、元素分析仪、BET测试仪、SEM电镜等对改性前后生物炭进行表征,揭示生物炭改性前后的结构变化特征。本论文通过对改性前后的生物炭进行吸水和失水实验,研究生物炭改性前后的吸水性能及生物炭改性前的持水能力。通过对铬(Ⅵ)污染土壤环境下小白菜的生长实验,研究了改性生物炭对铬(Ⅵ)污染土壤的去除效率及小白菜生理机能的影响,揭示了改性生物炭调节小白菜生长发育的功能。通过以不同灌溉水量处理铬(Ⅵ)胁迫小白菜,探究适宜小白菜生长的最佳灌水量。获得主要的研究结果如下:(1)生物炭的理化性质与制备温度及改性试剂的浓度有关,随着制备温度的提高,产率降低,灰分含量增加,极性及亲水性降低,芳香性增强,其内部结构逐渐优化,骨架发育更加完善。随着改性试剂浓度的提高,其对生物炭灰分含量影响不大,极性和亲水性增强,芳香性变化不大,生物炭中官能团含量逐渐丰富,比表面积及孔隙结构发育更加清晰。(2)随着制备温度提高,改性前生物炭吸水性能先提高后降低,500℃下制备的生物炭其吸水性能最优,改性后,H2O2较强的氧化性使孔隙结构塌陷,降低其吸水性能。改性前的生物炭的保水性能与制备温度关系很大,当生物炭含水率在20%-50%之间低温制备的生物炭保水性能较好;生物炭含水率在10%-20%之间,高温制备的生物炭其保水性能较优。(3)采用盆栽实验,将改性前后的生物炭与受铬(Ⅵ)污染的土壤混合,探究其吸附土壤中铬(Ⅵ)重金属的性能及对小白菜生长的影响。高温制备的生物炭对铬(Ⅵ)的固定效果高于低温制备的生物炭;650℃实验组对铬(Ⅵ)的固定效果最优。在650℃实验组当中,随着H2O2浓度的增加,其对铬(Ⅵ)的吸附能力先提升后下降,其中650℃-15%处理后的生物炭其吸附能力最强,其对小白菜根系中的铬(Ⅵ)吸附效果最佳。在铬(Ⅵ)胁迫条件下,添加650℃-15%处理改性生物炭对小白菜的叶片数、株高、叶片面积提升最为明显。随着灌溉水量的增加,对施加改性生物炭的铬(Ⅵ)胁迫下小白菜生长有促进作用。
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