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生物炭对五氯酚钠和克百威在黄土中吸附行为影响的研究

张彩霞  
【摘要】:生物炭(Biochar)是由生物质在限氧的条件下,经过高温热解而生成的一种物质,因其含碳量高且具备较大的比表面积,因此它具有和木炭类似的物化性质。作为土壤添加剂,生物炭不但能够改良土壤环境、提高作物产量、捕获温室气体,而且对土壤中的有机污染物有着很强的吸附能力。 本论文以小麦秸秆为原料,在400和600℃条件下制备两种生物炭,分别记作BC-400和BC-600,通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)及比表面积等方法对制得的生物炭进行表征。本研究的目标污染物为五氯酚钠和克百威,以研究其在西北半寒旱区黄土中的吸附行为,同时研究了生物炭对五氯酚钠和克百威在黄土中吸附特性的影响,并对其可能的影响因素如溶液的pH、温度以及土壤粒径等做了探讨,以揭示农药类污染物在黄土中的吸附规律,了解农药类污染物在西北黄土中的存在状况和迁移规律,为寻求有效控制和治理农药类污染物在黄土中的环境行为提供理论依据。 该论文取得的研究成果如下: 1.五氯酚钠和克百威在黄土中吸附行为的研究。 选用西北地区黄土为供试土样,采用批量法实验,研究了西北地区黄土对PCP-Na和克百威的吸附行为。结果表明:黄土对PCP-Na和克百威吸附的动力学最优方程为pseudo-second-order方程;PCP-Na和克百威在黄土中的吸附较好的符合Freundlich等温吸附方程;PCP-Na和克百威在黄土上的吸附过程中吉布斯自由能变ΔGθ、焓变ΔHθ以及熵变ΔSθ都小于0,表明黄土对PCP-Na和克百威的吸附为自发进行的放热过程且吸附过程中体系混乱度减小;pH值在4-10内变化,PCP-Na平衡吸附量先减小,继而又缓慢增加,而克百威则呈减小趋势,且在pH为4-8的范围内,减小趋势较平缓,而在pH为8-10的范围内,减小趋势较大;随着供试土样颗粒粒径的减小,PCP-Na和克百威在黄土中的吸附量增大。当土壤粒径从0.425mm减小到0.075mm时,PCP-Na在黄土上的吸附量由0.006mg·g-1增加到0.046mg·g-1,而克百威在黄土上的吸附量由0.009mg·g-1增加到0.049mg·g-1;黄土对PCP-Na和克百威的吸附容量取决于其初始浓度,随着PCP-Na和克百威初始浓度的增大,黄土对其吸附量也相应地增加。PCP-Na初始浓度从20mg·L-1增至110mg·L-1,其在黄土上的吸附容量从0.076mg·g-1增至0.200mg·g-1,克百威初始浓度从20mg·L-1增至110mg·L-1,其在黄土上的吸硕士研究生:张彩霞I专业:分析化学导师:周敏副教授研究方向:环境化学附容量从0.080mg·g-1增至0.206mg·g-1。 2.不同温度下热解的生物炭对五氯酚钠和克百威吸附行为的研究。 通过扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)及比表面积等方法对制得的生物炭BC-400和BC-600进行表征。不同温度热解的生物炭对五氯酚钠和克百威吸附行为的研究表明:PCP-Na和克百威在生物炭上的吸附均符合pseudo-second-order方程,且BC-600对农药的吸附容量显著高于BC-400;PCP-Na和克百威在生物炭上的吸附符合Freundlich等温吸附模型,而且PCP-Na和克百威在生物炭上的吸附过程吉布斯自由能变ΔGθ小于0,焓变ΔHθ以及熵变ΔSθ都大于0,表明生物炭对PCP-Na和克百威的吸附为自发进行的吸热过程,且吸附过程中体系混乱度增大;pH值在4-10,PCP-Na平衡吸附量先减小,继而缓慢增加,而克百威则在pH为4-8的范围内,减小趋势平缓,而在pH为8-10的范围内,减小趋势显著增大。 3.生物炭对土壤吸附五氯酚钠和克百威行为的影响研究。 采用批量实验的方法,分别研究了生物炭对五氯酚钠和克百威在黄土中的吸附动力学和吸附热力学的影响。结果表明:无论是否施加生物炭,黄土对PCP-Na和克百威的吸附均遵循pseudo-second-order方程,并且达到吸附平衡时,吸附量的大小顺序依次为soil+BC>soil。其中,对于PCP-Na的吸附量由0.173mg·g-1上升至0.987mg·g-1,约5.7倍,而对于克百威的吸附量则由0.449mg·g-1上升至1.063mg·g-1,约2.4倍;未添加生物炭的土壤和添加生物炭的土壤对PCP-Na和克百威的吸附均遵循Freundlich等温吸附模型。Freundlich等温吸附方程的KF值均存在如下不等式:soil+BC>soil,由此说明,生物炭的施加会提高土壤对PCP-Na和克百威的吸附容量;pH值在4-10,PCP-Na平衡吸附量先减小,继而又缓慢增加,而克百威则呈减小趋势,且在pH为4-8的范围内,减小趋势较平缓,而在pH为8-10的范围内,减小趋势较大。


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