【类型】学位论文
【题名】锰改性生物炭材料的制备及其对镉砷污染土壤的修复效果研究
【作者】 谭笑
【学位授予单位】北京化工大学
【摘要】重金属镉(Cd)、砷(As)是我国农田土壤污染主要的污染物,中南地区作为我国粮食的重要主产区,也是矿业较发达的地区,曾由于矿产资源开发、冶炼方式的不当导致周边农田土壤遭受Cd、As重金属污染。这些输入农田的重金属Cd和As不仅会导致土壤肥力、质量与农作物产量、品质下降,还将通过食物链途径在生物体内形成重金属累积。近年来,生物炭因其价廉易得、保肥治污等优点而广泛被用于农田土壤污染治理领域。而为了进一步扩展生物炭在土壤污染治理中的应用范围,人们常对其进行改性,以期实现多种污染协同治理。本文以中南地区Cd、As污染农田土壤为研究对象,将玉米秸秆先进行锰改性再置于不同温度(400～600℃)下热解以获得锰改性生物炭(MBC1),同时将玉米秸秆生物炭进行锰改性,再进行二次热解而获得第二种锰改性生物炭(MBC2),对比了上述两种生物炭对Cd和As的吸附特性,筛选出最优修复材料,研究其在土壤中对重金属的钝化特性,并在田间试验中验证其修复效果。本文的主要研究结果如下:(1)成功制备了两种吸附效果较好的锰改性生物炭。改性后生物炭具有更多的不规则褶皱和更多的颗粒聚集表面。这些聚集颗粒的主要成分是具有高吸附能力的锰氧化物(MnOx),例如负载在MBC2上的MnOx晶体结构是δ-MnO2和MnO的混合物。同时,在MBC2制备过程的二次热解作用下,MBC2的芳构化程度更高,对Cd和As的潜在活性吸附位点也更多。(2)两种锰改性方式均能明显提高生物炭对Cd(Ⅱ)和As(Ⅲ)的吸附能力,其中在500℃下以5:1的改性比例制备的锰改性生物炭效果更优。在此制备条件下,MBC2对Cd(Ⅱ)的吸附去除率较MBC1高11.01%,较BC高27.2%;对As(Ⅲ)的吸附去除率较MBC1高30.12%,较BC高54.66%。MBC2-500-5:1对Cd(Ⅱ)吸附结合过程与Freundlich模型更为吻合,这说明该吸附过程趋向于多分子层吸附;对As(Ⅲ)的吸附过程则更贴合Langmuir模型,说明吸附主要发生在单分子层中,即发生在生物炭表面的MnOx的分子层中。(3)MBC2-500-5:1对土壤中的Cd和As有很好的钝化性能。运用两种污染浓度的镉砷污染土壤样品进行为期35天的恒温土壤稳定化处理,通过BCR分级提取实验和Wenzel法连续提取分析土样,结果表明,MBC2的所有施用量(1%,2%和3%)都可以降低重金属易被生物吸收利用的形态占比,使较为稳定的重金属形态占比呈上升趋势,从而控制了土壤中Cd和As的迁移、转化和富集。(4)田间试验结果表明:修复处理使土壤中的重金属更为稳定,减少其向植物的转移,水稻籽粒中重金属含量达标。修复处理后土壤的pH值、有机质含量(SOM)含量均有所上升,说明土壤肥力增加;土壤中重金属总量变化不大,但土壤中有效态Cd、As含量明显下降;修复处理后植株的生长状态更好;植物叶片中的过氧化物酶(POD)变化不大,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)含量有所增加,说明植物抵抗外界因子胁迫的能力增强;水稻籽粒中重金属含量明显降低,达到了《食品安全国家标准食品中污染物限量(GB 2762-2017)》的要求(<0.2 mg·kg-1),有效地降低了水稻籽粒的食用毒性风险。因此可得出结论,MBC2可能是Cd、As复合污染土壤实际修复应用中有前途的钝化剂。
【学位年度】2020
【分类号】X53
【导师姓名】林爱军，李来庆，谢阳村
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