绿茶生物炭负载纳米零价铁固化稳定化铅污染土壤研究

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随着工业化和城镇化的不断推进,我国面临的土壤重金属污染问题日益严峻。我国土壤重金属污染范围大、种类多,而土壤重金属污染本身又具有滞后性、持久性和不可降解性等特点,为土壤污染修复工作带来了极大挑战。生物炭作为一种土壤修复剂,具有较高的比表面积、丰富的含氧官能团和良好的化学稳定性,并且来源广泛,制备成本低,因此受到广泛关注。本研究使用绿茶作为生物质原料,绿茶提取液用于制备纳米零价铁,绿茶叶制备生物炭,通过化学浸渍法得到绿茶生物炭负载纳米零价铁材料。对材料进行形貌分析、元素分析和性质分析确定材料基本特性后,首先以外源添加铅污染农田土壤为研究对象,研究绿茶生物炭负载纳米零价铁对土壤中重金属铅的固化稳定化效果,并根据土壤中铅的形态变化以及存在形式,评估材料对铅可能的固定化机制。其次,以未污染的农田土壤作为研究对象,探究材料对植物生长、土壤酶活性以及微生物生物有效性。得到以下结论:(1)绿茶生物炭负载纳米零价铁更具稳定性。与传统纳米零价铁相比,纳米零价铁因茶多酚包裹提高了纳米零价铁而具有更好的稳定性和分散性,团聚减少并在生物炭表面分散较为均匀。同时绿茶生物炭和纳米零价铁之间的协同作用也使复合材料在土壤中重金属污染修复中具有更大的潜力。(2)绿茶生物炭负载纳米零价铁对铅污染的固化稳定化效率更强。以外源添加铅污染的农田土壤为研究对象,在30天的实验周期内,绿茶生物炭负载纳米零价铁对铅的固定化效率达到了98.33%,比单独使用纳米零价铁增加18.75%。土壤中大部分生物可利用态的铅(可交换态、碳酸盐结合态)被材料中的纳米零价铁转化为难以利用的形态(铁锰氧化态)。X射线光电子能谱图进一步证明土壤中形成Fe-O-Pb氧化形态以及铅的氧化物或氢氧化物,Fe0被氧化成Fe(Ⅱ)后被进一步为Fe(Ⅲ)。以上结果都表明绿茶生物炭负载纳米零价铁对铅的固定化机制包括表面孔隙结构和含氧官能团的吸附和离子交换,纳米零价铁的氧化以及铁氧化物在生物炭表面的共沉淀和络合作用。(3)绿茶生物炭负载纳米零价铁对土壤植物和微生物的生长和活性有一定的抑制作用。玉米盆栽实验表明,绿茶生物炭负载纳米零价铁对玉米的根茎生长的抑制作用略高于纳米零价铁,且实验结束时玉米根、茎长度仅为对照组的23.3%和34.1%。绿茶生物炭负载纳米零价铁会略微降低土壤中微生物丰度,同时提高厚壁菌门(Firmicute)这类具有重金属抗性的微生物在整个微生物群落中的占比,但同时也降低了酸杆菌门(Acidobacteria)这类对土壤TOC(总有机碳)的累积有影响的微生物占比。复合材料延缓了纳米铁的释放,导致实验初期较低浓度的铁促进了β-葡萄糖苷酶的活性,但随着纳米铁毒性效应的显现,对β-葡萄糖苷酶活性呈现抑制作用,这表明在本实验条件下绿茶生物炭负载纳米零价铁对土壤碳循环有一定负面影响。本论文实验结果表明绿茶生物炭负载纳米零价铁材料对土壤中重金属铅有较好的固化稳定化效果,但在本实验设置的材料投加量下,绿茶生物炭负载纳米零价铁对植物根茎生长、土壤酶活性和微生物群落结构有一定的负面影响。
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