两种改性生物炭对黄壤Cd钝化效应研究

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生物炭钝化修复土壤重金属污染效果明显,但仍有一定的局限性,相关研究表明生物炭进行改性后吸附重金属的能力显著增强。因此,本文选取油茶渣、刺梨渣制备生物炭然后利用两种巯基改性方法进行改性。通过扫描电镜和红外光谱探究生物炭改性前后表面结构及官能团的变化,室内吸附试验和培养试验明确生物炭改性前后对Cd的吸附特性及黄壤Cd的钝化效应。主要研究结果如下:(1)巯基改性后的生物炭pH由碱性变为酸性。扫描电镜和红外光谱分析显示原始生物炭表面较粗糙,杂质颗粒较多,巯基改性后的生物炭表面较光滑,有微小的小孔结构。硫酸催化酯化法改性生物炭表面S元素含量显著增加,最大增幅为9.86%,盐酸催化浸泡法改性生物炭表面S和Si元素的含量增加,最大增幅分别为5.81%和6.28%,500℃生物炭的增加效果大于400℃生物炭。原始生物炭表面官能团主要以烷烃类存在,巯基改性生物炭表面出现了巯基和酯基的特征峰,表明生物炭经过改性后表面均负载了巯基官能团。(2)吸附试验表明,原始生物炭对溶液中Cd2+的吸附以物理吸附为主,500℃生物炭的吸附能力大于400℃生物炭,巯基改性生物炭吸附以化学吸附为主,巯基改性后的生物炭对Cd2+的吸附量是原始生物炭的1.5倍。其中原始油茶渣生物炭的最大吸附量为9.98mg/g,巯基改性油茶渣生物炭的最大吸附量为15.97mg/g;原始刺梨渣生物炭的最大吸附量为13.22mg/g,巯基改性刺梨渣生物炭的最大吸附量为19.30mg/g,盐酸催化浸泡法改性的生物炭对Cd2+的吸附能力大于硫酸催化酯化法改性的生物炭。当溶液pH在3~7时,原始生物炭在溶液pH较低时吸附能力差,随着溶液pH的升高,巯基改性生物炭对Cd2+的吸附能力逐渐增强。巯基改性生物炭吸附重金属Cd2+后的解吸率在4.38~7.75%之间,远低于原始生物炭的43.28~45.55%,具有较强的吸附稳定性。(3)培养试验表明,原始生物炭在不同培养时间段内均提高黄壤的pH且添加量为2%时提高最大,500℃的生物炭提高效果大于400℃生物炭。原始油茶渣生物炭在培养60天后黄壤pH提高最大,与CK相比最大提高0.37个单位,原始刺梨渣生物炭在培养30天后黄壤pH提高最大,最大提高提高0.51个单位;巯基改性生物炭在不同培养时间段内均降低黄壤的pH。原始生物炭在培养30天时黄壤有效Cd含量降低幅度最大,并且生物炭的添加量越大降低幅度越大,原始油茶渣生物炭最大降低38.14%,原始刺梨渣生物炭最大降低35.71%;巯基改性生物炭在培养60天时黄壤有效Cd含量降低幅度最大,生物炭添加量在2%时降低最大。其中,硫酸催化酯化法改性油茶渣生物炭的效果大于盐酸催化浸泡法,黄壤有效Cd的最大降低率为52.38%;盐酸催化浸泡法改性刺梨渣生物炭的效果大于硫酸催化酯化法,黄壤有效Cd的最大降低率为52.42%。原始生物炭对黄壤中Cd形态的影响不大,巯基改性生物炭使黄壤的弱酸提取态Cd和可还原态Cd含量降低,增加了可氧化态Cd和残渣态Cd的含量,巯基改性刺梨渣生物炭的效果大于巯基改性油茶渣生物炭,盐酸催化浸泡法改性生物炭的效果大于硫酸催化酯化法。其中,盐酸催化浸泡法改性刺梨渣生物炭对黄壤弱酸提取态Cd的最大降低率为11.12%,残渣态Cd最大增幅为13.98%。
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