MnOx负载生物炭对畜禽粪便有机肥中重金属影响研究

摘要

食品安全一直是人们关注的热点，人们逐渐意识到食品安全问题的重要性，饮食习惯上逐渐转向污染相对较小的使用农家肥的有机食品。然而畜禽粪便如猪粪中的重金属严重超标问题一直是阻碍畜禽粪肥农用的重要因素。生物炭是一种新型的环境多功能材料，对重金属和有机污染物有良好的吸附性，同时在改善土壤肥力、温室气体排放和环境修复方面具有巨大的潜能。
　　本研究利用农业废弃物水稻秸秆为生物质原料制备生物质炭，采用高锰酸钾改性负载MnOx以提高稻秆生物炭对重金属的吸附效果。利用负载MnOx稻秆生物炭(50％MRBC)在水溶液中对Cu2+、Zn2+吸附性能研究，对改性前后和吸附实验回收的生物炭样品进行元素组成、SEM电镜扫描和FTIR红外扫描分析，探究其对Cu2+、Zn2+的吸附机理;通过盆栽实验研究50％MRBC对猪粪有机肥重金属污染土壤的修复效果及生物有效性影响，为实现猪粪有机肥资源化和无害化利用及降低其重金属环境效应提供理论依据。本研究主要结论如下:
　　(1)水稻秸秆生物炭为生物质原料，600℃缺氧热解3h制备水稻秸秆生物炭(RBC)，采用KMnO4改性后制备50％MRBC，其对Cu2+、Zn2+去除率是RBC的4倍，准二级动力学方程能较好的拟合50％MRBC对Cu2+、Zn2+吸附结果，整个吸附过程由化学吸附速率控制，240min达到吸附平衡;吸附热力学数据拟合更适Langmuir模型，Cu2+、Zn2+的饱和吸附量分别达107.53、96.15mg·g-1，且Cu2+、Zn2+解吸率较低;该吸附剂的最适pH范围是pH4.0～6.0，最适炭投加量为3.0g·L-1。
　　(2)50％MRBC表面被负载MnOx，其吸附机理为:Ⅰ）丰富的含氧官能团与金属离子发生络合作用形成稳定的金属离子络合物;Ⅱ）无机矿物质在溶液中形成K+、Na+、Mg2+等与金属离子发生离子交换作用;Ⅲ)秸秆中的纤维素、半纤维素热解后形成的C-O-C基团能与金属离子形成阳离子-π作用
　　(3)施用改性生物炭(50％MRBC)能降低猪粪有机肥污染土壤中的重金属含量，降低重金属的生物有效性，施用改性生物炭后土壤的pH值和有机质含量提高。随着生物炭添加比例的增加(1％、2.5％、5％)，对猪粪有机肥中重金属的去除效率增大，土壤中Cu降低率分别达20.6％、28.2％和42.1％，Zn的降低率分别为15.3％、23.7％和31.8％;随着MnOx负载生物炭添加比例的增加，可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Cu向有机结合态和残渣态Cu转化;可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Zn含量都显著降低，残渣态Zn含量有所提高，有机结合态Zn含量变化不明显。
　　(4)施用有机肥能增加植株的株高、根长和鲜重。植物体内重金属富集部位地上部分＞地下部分，添加5％比例生物炭的处理油菜地上、地下部分Cu、Zn含量变化均明显(P＜0.05)，且对Cu的钝化效果好于Zn。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的和意义

1．2 国内外发展趋势

1．2．1 畜禽粪便有机肥源重金属在土壤-蔬菜系统中的污染状况

1．2．2 生物炭对土壤中重金属有效性的影响

1．3 研究内容

1．4 技术路线

第二章 材料与方法

2．1 实验材料与试剂

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器与设备

2．2 实验方案与方法

2．2．1 生物炭的制备与改性

2．2．2 MnOx负载稻秆生物炭吸附性能研究

2．2．3 MnOx负载稻秆生物炭吸附性能优化研究

2．2．4 盆栽实验

2．3 样品分析方法

2．3．1 吸附性能指标的测定

2．3．2 生物炭样品的性质与表征

2．3．3 盆栽实验指标的测定

2．3．4 质量控制

2．4 数据处理与分析

第三章 50％MRBC对重金属的吸附机理

3．1 改性方法的确定

3．2 改性前后稻秆生物炭性质与表征

3．3 50％MRBC的吸附实验

3．3．2 50％MRBC对Cu2+、Zn2+的等温吸附-解吸实验

3．3．3 pH对50％MRBC负载稻秆生物炭吸附效果的影响

3．3．4 投加量对对50％MRBC吸附效果的影响

3．4 吸附实验前后生物炭电镜扫描(SEM)分析

3．5 吸附实验前后生物炭傅里叶红外光谱(FTIR)分析

3．6 本章小结

第四章 50％MRBC添加比对堆肥中重金属在土壤-蔬菜系统中的迁移影响

4．1 土壤有机质变化分析

4．2 土壤pH值变化分析

4．3 生物炭与堆肥配施对土壤重金属的影响

4．3．1 盆栽前后重金属总量变化

4．3．2 盆栽后土壤重金属形态变化

4．4 植株生长与重金属

4．4．1 植株生长状况

4．4．2 植株体不同部位重金属含量

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 不足与展望

5．2．1 不足

5．2．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的学术成果情况