生物炭的制备及其对养分保留和重金属钝化的潜力研究

摘要

养分资源的耗竭、面源污染以及土壤重金属污染，严重威胁着我国食品安全、生态环境以及经济社会的可持续发展。生物炭作为一种新型、多孔、高度芳香化及富含碳的固体材料，在农业生产、温室气体减排以及环境保护等方面展现出了巨大的应用潜力。然而，有关生物炭的养分特性以及其对污染土壤（特别是碱性污染土壤）中重金属钝化的研究相对较少。为此，本文就生物炭对植物养分保留和重金属钝化的潜力进行了探讨。
　　为了深入研究生物炭的植物养分特性，首先选取玉米秸秆（CS）、小麦秸秆（WS）、油菜秸秆（RS）以及花生壳（PS）为原料，研究了不同裂解温度（300、400、500、600、700°C）以及反应时间（1h、2h、4h）对生物炭的理化性质、水溶性养分含量及其对溶液中养分（NO3-、NH4+、PO43-）吸附能力的影响。其次，针对裂解过程中碳（C）的大量损失，本文在研究不同温度以及金属盐添加对鸡粪生物炭养分特性影响的同时，通过化学分析和微生物培养的方式测定了不同处理鸡粪在生物炭制备过程中C的损失以及鸡粪生物炭的稳定性。鉴于秸秆生物炭对溶液中PO43-较低的吸附能力，我们探讨了稀硫酸水解和镁盐改性预处理对秸秆生物炭吸附溶液中PO43-的影响及其作用机理。针对生物炭对于重金属活性的影响，本文探讨了稀硫酸水解及氧化镁负载对于生物炭吸附溶液中Cr(VI)的影响及其作用机理。研究了溶液pH值、离子强度、初始Cr(VI)浓度、反应时间等对镁盐改性生物炭去除溶液中Cr(VI)的影响，并对其再生能力进行了研究。其次，本文研究了不同秸秆生物炭对土壤中重金属的钝化效果。以玉米秸秆（CS）、小麦秸秆（WS）以及油菜秆（RS）为原料，研究了不同温度下制备的生物炭对溶液中Zn2+、Cd2+以及Pb2+的饱和吸附量、不同生物炭对土壤理化性质、重金属活性以及其在植物中累积的影响。主要研究结果如下：
　　（1）以不同秸秆生物质为原料，在不同裂解条件下制备生物炭，通过分析生物炭的各种理化性质、养分特性及稳定性，探究生物炭性质、生物质原料、炭制备工艺之间的相互关系。结果发现，生物炭的理化性质主要受材料种类以及裂解温度的影响。裂解温度升高，增加了生物炭的pH值、灰分、芳香化程度、C的含量以及稳定程度，而生物炭中O、H的含量以及表面官能团的数目则有所降低。延长的反应时间有利于生物炭的裂解，其作用效果与升高的裂解温度类似。延长的反应时间对生物炭性质的影响在低温条件下比较明显；当裂解温度高于500°C时，不同反应时间条件下制备的生物炭之间性质的差别不大。生物炭中水溶态氮的含量占其中总氮含量的比例很低，且随着裂解的进行不断降低；生物炭中的总磷含量随着裂解的进行逐渐增加，但是其有效性逐渐降低，大约只有4％的生物质中的磷以水溶态PO43--P的形式存在；生物炭中的钾具有较高的可利用率（40%左右）。除去裂解温度的影响，生物炭中水溶性养分的含量与生物炭原料中养分含量呈一定的正相关关系。生物炭对溶液中的NH4+表现出较高的去除能力，而对溶液中NO3-和PO43-的去除能力则较弱，部分生物炭对于NO3-和PO43-还存在负吸附现象。经测算，土壤中添加2.5%的生物炭能够提供植物生长所需的钾，但是氮和磷还需要其他肥料的补充。
　　（2）以鸡粪为原料，研究了金属盐添加对于鸡粪裂解过程中C的损失、生物炭的养分特性和稳定性的影响及作用机理。结果表明，金属盐尤其是FeCl3·6H2O的添加能够降低鸡粪裂解过程中C的损失。金属盐的添加降低了生物炭中P的有效性，但是对于其他元素如Cu和Zn无显著影响。生物炭的化学及生物学稳定性也随着金属盐，尤其是FeCl3·6H2O的添加而提高。金属离子对于生物质热解反应的催化以及金属盐在生物炭外表面形成的物理保护层可能是裂解过程中降低的C损失以及提高的生物炭稳定性的主要原因；而裂解过程中形成的难溶性的磷酸盐则是降低的P有效性的原因。
　　（3）通过稀硫酸预处理甘蔗叶及氧化镁负载制备出多孔的镁盐改性甘蔗叶生物炭，通过吸附实验，研究其对溶液中PO43-的吸附效果及作用机理。结果发现，稀硫酸水解破坏了生物质原料（甘蔗叶）的基本结构，增加了材料的比表面积，促进了MgO颗粒在生物炭表面的形成和分布。经过稀硫酸前处理的镁盐改性生物炭对溶液中PO43-表现出更强的去除能力。沉淀反应、离子交换以及静电吸附是镁盐改性生物炭对溶液中PO43-吸附的主要原因。
　　（4）通过吸附实验，对比不同生物炭对溶液中Cr(VI)的吸附效率，研究不同处理和反应条件对于生物炭吸附溶液中Cr(VI)的影响。结果发现：pH值是影响Cr(VI)在生物炭上吸附的主要因素，pH值的升高降低了生物炭对于Cr(VI)的去除。稀硫酸水解和氧化镁负载都促进了生物炭对溶液中Cr(VI)的去除。相比于原始生物炭上以吸附-还原机理主导的Cr(VI)的吸附行为，镁盐改性生物炭对于溶液中Cr(VI)去除的作用机理则是溶液中Cr(VI)与生物炭表面MgO颗粒的相互作用。绝大多数被吸附在镁盐改性生物炭上的Cr以Cr(VI)的形式存在。此外，镁盐改性生物炭具有较高的可再生性。镁盐改性生物炭对于废水中Cr(VI)的处理具有较大的应用潜力。
　　（5）对不同生物炭对土壤中重金属的钝化效果进行评价。对比研究了不同生物质原料和反应条件下制备的生物炭对溶液中Zn2+、Cd2+以及Pb2+的吸附以及对污染土壤理化性质、重金属活性以及重金属在植物中累积的影响。结果表明，高温条件下制备的生物炭对溶液中重金属离子的吸附效果更好。在碱性土壤中添加生物炭能提高土壤的pH值及有机质含量，促使土壤中重金属从游离态向可氧化态转变，降低重金属的有效性。植物毒性实验表明，土壤中添加生物炭能够降低重金属在植物地下部的累积，但对于重金属在植株地上部分的累积无明显的影响。此外，生物炭对土壤重金属的钝化效果与土壤中重金属的含量以及其形态有关。
　　生物炭的制备有利于实现植物养分（尤其是P和K）的回收与利用，同时也对土壤重金属起到了一定的钝化作用。该研究结果可为生物炭在农业以及重金属污染土壤修复中的应用提供理论依据。

目录

声明

第一章 文献综述

1.1 生物炭的定义、制备、性质以及应用

1.2 生物炭的养分特性

1.3 生物炭在重金属污染土壤修复中的应用

1.4 工程化生物炭的制备以及环境中的应用

1.5 选题依据、研究内容及目的

第二章 裂解条件对于秸秆生物炭的理化性质及养分特性的影响

2.1 前言

2.2 材料和方法

2.3 结果和讨论

2.4 小结

第三章 预处理对鸡粪生物炭养分特性和稳定性的影响

3.1 前言

3.2 材料和方法

3.3 结果和讨论

3.4 小结

第四章 改性甘蔗叶生物炭对溶液中磷酸根(PO43-)吸附的影响

4.1 前言

4.2 材料和方法

4.3 结果和讨论

4.4 小结

第五章 改性甘蔗叶生物炭对溶液中铬(Cr(VI))吸附的影响

5.1 前言

5.2 材料和方法

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第六章 秸秆生物炭对污染土壤中重金属钝化的研究

6.1 前言

6.2 材料和方法

6.3 结果和讨论

6.4 结论

第七章 研究结论、创新点及展望

7.1 主要结论

7.2 创新性

7.3 研究展望

参考文献

致谢

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