生物炭中可溶性组分对其吸附镉的影响

摘要

为研究生物炭中可溶性组分对生物炭吸附重金属的影响,以玉米秸秆和松木屑为原材料,采用限氧升温炭化法,分别于200、400和600℃下制备生物炭,并通过批量吸附实验研究生物炭对镉的吸附特性及去除可溶性组分对其吸附Cd^(2+)的影响。研究结果表明,随热解温度升高,生物炭的碳化程度增加,pH值增大,比表面积逐渐增大,含氧官能团数量减少,矿物组分不断富集,溶解性矿物离子K^(+)、Ca^(2+)、Mg^(2+)和PO_(4)^(3−)含量降低;去除可溶性组分后生物炭的pH值下降,溶解性矿物离子含量明显降低。LM模型更适合于对松木生物炭和200、400℃下制备的玉米秸秆生物炭吸附Cd^(2+)的数据进行拟合,而FM模型更适合于拟合600℃下制备的玉米秸秆生物炭对Cd^(2+)的吸附数据。玉米秸秆生物炭对Cd^(2+)的吸附量(29.58—12.21 mg·g^(−1))高于松木生物炭(1.72—4.14 mg·g^(−1)),这与玉米秸秆生物炭中的矿物组分含量明显高于松木生物炭,从而有利于发生共沉淀和离子交换作用有关。去除可溶性组分后,玉米秸秆和松木生物炭对Cd^(2+)的吸附量分别降低25%—42%和15%—40%。共沉淀和离子交换作用是低温生物炭(≤400℃)吸附Cd^(2+)的主要机制;而高温生物炭(>400℃)吸附Cd^(2+)的主要机制是阳离子–π作用。溶解性矿物离子的含量降低使得Cd^(2+)与生物炭之间的共沉淀和离子交换作用减弱,从而降低生物炭对Cd^(2+)的吸附量。研究结果有助于认识可溶性组分在生物炭对重金属吸附机制中的作用,也将为生物炭在土壤修复中的应用提供科学参考。