生物碳对寒旱区石油污染黄土中多环芳烃吸附行为影响的研究

摘要

添加外源性物质（秸秆焚烧物和生物碳）可改良贫瘠黄土、提高肥力。研究外源性物质对寒旱区黄土吸附石油污染物的影响，对石油污染物在黄土中的归趋有重要意义。本文在研究寒旱区黄土对石油污染物的吸附特性的基础上，采用热重分析、元素分析、红外光谱分析、比表面积分析和电镜扫描表征小麦秸秆焚烧物(BC-ash)和生物碳(BC-200、BC-400、BC-600)的结构特征，分析不同的外源性物质对黄土吸附石油污染物的影响；初步探讨了柴油污染黄土对多环芳烃的吸附性能，并定量描述了柴油污染黄土上分配作用和表面作用对吸附总量的贡献。研究取得了以下成果：
　　(1)热重、红外光谱分析结果显示小麦秸秆在热解温度升高到350℃时失重率最大，为33.73％，秸秆的热解过程发生化学键的断裂及脂肪性烷基链的消失；小麦秸秆焚烧物的产率、灰分分别为12%、64.78%，灰分较大；生物碳随着碳化温度的升高，其产率降低，灰分含量增大；随着热解温度升高，生物碳逐渐成为“富碳颗粒”，其极性降低，芳香性增大，疏水性增强；电镜扫描分析显示随着碳化温度升高，生物碳孔壁逐渐变薄，内部孔结构逐渐增大，甚至出现大量微孔。
　　(2)寒旱区黄土对萘的吸附在10h内为快速吸附过程，24h达到吸附平衡；Pseudo-second-order模型能较好地描述萘在黄土上的动力学吸附过程，吸附过程由外部液膜扩散、表面吸附、颗粒内扩散控制；黄土对萘的吸附以分配作用为主，Henry和Freundlich模型均能很好地描述其吸附特性；黄土对萘的吸附是一个自发进行的吸热过程，随着温度的升高，萘的饱和吸附量增大，熵变是主要驱动力；比较两种黄土，兰州(LZ)对萘的饱和吸附量高于嘉峪关(JYG)，黄土中粉粒含量也能显著影响吸附作用。
　　(3)添加秸秆焚烧物黄土对萘的快速吸附过程在10h内完成，24h达到吸附平衡；初始浓度的增大增加了黄土及秸秆焚烧物颗粒表面吸附位点与萘的碰撞频率，导致平衡吸附量的增大；动力学吸附过程符合Pseudo-second-order模型，吸附的起始阶段萘分子迅速占据黄土颗粒及秸秆焚烧物吸附位点，之后吸附剂通过微孔扩散机制进入其内部；添加秸秆焚烧物黄土对萘的吸附是物理吸附，温度升高，有利于吸附的进行；添加秸秆焚烧物黄土对萘的吸附量略低于黄土本身，表明土壤有机质及其他组分与萘在吸附位点形成竞争吸附。
　　(4)添加生物碳黄土对萘的吸附能力明显提高，快速吸附过程在10h内完成，吸附在20h达到平衡；动力学吸附过程符合Pseudo-second-order模型，吸附是多种机理控制的复杂体系多介质反应；添加生物碳使黄土吸附萘的非线性增强，生物碳多孔结构和芳香性影响吸附过程；生物碳热解温度越高，对黄土的非线性吸附过程影响越显著；酸洗过程能很大程度上去除灰分，但对生物碳无定型活性组分改变较显著，导致酸洗对不同温度条件下制备的生物碳吸附性能的影响有差异；
　　(4)柴油污染黄土对萘的吸附在72h内达到平衡，柴油的存在显著延长了黄土对萘的动力学吸附过程；低浓度柴油污染黄土对萘的吸附量比高浓度柴油污染黄土大，其机理为高浓度条件下柴油类污染物与萘形成竞争吸附降低了萘在柴油污染黄土上的平衡吸附量；萘在柴油污染黄土上的吸附为非线性吸附过程，该过程既包含物理吸附也包含化学吸附；外源性物质的添加增大了表面吸附作用的贡献率，但柴油污染黄土上的表面吸附和分配作用都明显减弱；黄土中的柴油形成独立吸附相，对整个吸附过程有影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

引言

1 文献综述

1.1 生物碳的环境效应

1.2 生物碳对土壤有机污染物环境效应的影响

1.3 其它土壤改良方式对有机污染物环境效应的影响

1.4 土壤中石油污染物的迁移转化研究

1.5 土壤对有机污染物的吸附作用

1.6 研究目的、意义

1.7 技术路线

2 生物碳及小麦秸秆焚烧物的制备及结构表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

3 寒旱区黄土中多环芳烃吸附行为的研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

4 秸秆焚烧物对黄土中多环芳烃吸附行为影响的研究

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4 小结

5 生物碳对黄土中多环芳烃吸附行为影响的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

6 多环芳烃在石油污染黄土上的吸附行为及添加外源性物质的影响

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 小结

结论

创新点

致谢

参考文献

攻读学位期间的主要研究成果