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生物质炭对水体/红壤中Cu(Ⅱ)的去除和固定作用

佟雪娇  
【摘要】:我国农业生产中每年都产生大量的农作物秸秆等农业废弃物,虽然其中有部分已经通过直接还田、牲畜饲养或作为工业原料、燃料等方式得到处置,但仍有超过2亿吨的秸秆直接在田间焚烧。秸秆焚烧不仅造成资源浪费,还会污染环境,带来一系列的社会问题。另一方面,随着我国铜矿的开发、冶炼以及含铜电镀废水的超标排放,含铜农药的喷洒,污水灌溉等,水体中、土壤中的铜逐渐累积,造成严重污染。重金属铜在水体、土壤中不能被微生物分解利用,而是通过富集作用存在于水体和土壤中,并通过食物链传递危害人类健康。 生物质炭是生物质在厌氧或者绝氧的条件下进行热解,生成的一种含碳丰富的固体物质。生物质炭表面含有大量可变负电荷、活性含氧官能团,能有效吸附水体、土壤中重金属,但目前对生物质炭吸附重金属能力、机制还不清楚。 为此,本文选择花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆和稻草等四种农作物秸秆,采用厌氧热解的方法制备了相应的生物质炭,研究了这些生物质炭对水体中Cu(Ⅱ)的吸附和去除及对土壤固定、吸附Cu(11)的影响,实验结果可为废水中重金属铜的去除、重金属污染土壤的修复提供参考。本研究主要开展了以下三方面的工作: (1)选择三种农作物秸秆(花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆)于400℃热解温度下制备了三种相应的生物质炭用于Cu(Ⅱ)的吸附、解吸实验。研究结果表明,在pH3.5-6.0的范围内,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附量随着溶液pH的升高而升高。三种生物炭吸附Cu(Ⅱ)能力大小顺序为:花生秸秆炭大豆秸秆炭油菜秸秆炭,生物炭吸附Cu(Ⅱ)离子能力越强,吸附的Cu(Ⅱ)被中性盐的解吸越弱。生物炭表面有丰富的-COOH和-OH等含氧官能团,Cu(Ⅱ)在生物炭炭表面形成有机络合物使-COOH吸附峰位移。Cu(Ⅱ)吸附还使生物炭炭颗粒的Zeta电位向正值方向位移,说明发生了专性吸附。生物质炭对铜的吸附符合Langmuir等温模型(R20.99),三种生物质炭在pH为4.5,5.0时的最大吸附量分别在0.48-0.79mol·kg-1和0.58-1.40mol·kg-1范围内。商品活性炭在pH5.0时,最大吸附量为0.18mol·kg-1。因此,三种生物炭对铜离子的吸附量远远大于商品活性炭,是廉价高效吸附剂。 (2)选用花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆和稻草秸秆四种农作物秸秆,采用厌氧加热的方法将花生秸秆、油菜秸秆制备成300℃、400℃、500℃的生物质炭,大豆秸秆和稻草秸秆热解温度不变(400℃)。研究了物料来源、热解温度、生物质炭用量、混合反应时间和废水初始pH值对生物质炭去除酸性电镀废水中Cu(Ⅱ)的效果的影响。结果表明:热解温度为400℃的花生秸秆生物炭,混合反应时间为8h下,按每升废水中加入生物炭20g进行处理,Cu(Ⅱ)去除率可达98%以上。生物质炭不仅适用于一般浓度含Cu(Ⅱ)废水,也适用于高浓度含Cu(Ⅱ)酸性电镀废水的处理。 (3)选择四种农作物秸秆(花生秸秆、大豆秸秆、油菜秸秆、稻草秸秆)于400℃热解温度下制备了四种相应的生物质炭,研究了生物质炭对采自江西进贤和广西柳州两种红壤吸附Cu(Ⅱ)的影响。结果表明,添加由农作物秸秆制备的生物质炭提高了红壤对Cu(Ⅱ)的吸附量,生物质炭对Cu(Ⅱ)吸附的促进作用随生物质炭添加量的增加而显著增加,低pH下促进作用更加明显。pH4.0和2%生物质炭添加水平下,油菜秸秆炭、花生秸秆炭、大豆秸秆炭和稻草炭使江西红壤对Cu(Ⅱ)的吸附量相对对照分别增加97%、79%、51%和54%;花生秸秆炭和大豆秸秆炭使广西红壤对Cu(Ⅱ)吸附量较对照分别增加61%和44%,当生物质炭添加水平达4%时,Cu(Ⅱ)吸附量的增幅达97%和165%。生物质炭表面带负电荷,可以同时增加红壤对Cu(Ⅱ)的静电吸附量和专性吸附量,但以增加专性吸附为主。因此,添加秸秆生物质炭可以有效降低Cu(Ⅱ)在酸性红壤中的活动性和生物有效性。


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