空心莧生物炭、膨潤土及其復合吸附劑對茶園土壤Cd的固持作用研究

發(fā)布時間：2020-04-02 20:08

【摘要】：伴隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)以及交通業(yè)等多行業(yè)的迅速發(fā)展,土壤重金屬污染問題日益嚴重,治理土壤中的重金屬污染已成為當前研究的熱點。鎘是存在于土壤中的典型重金屬污染物,在環(huán)境中具有作用周期長、移動性大、生物毒性高以及難降解等特點,較易被植物吸收并殘留于體內(nèi),且通過食物鏈富集作用危害動物和人類的健康。固化/穩(wěn)定技術因操作簡便、效果良好,已成為比較成熟的重金屬污染土壤治理方法。目前,單一的固化修復材料運用于重金屬污染修復的研究已較多,而將兩種或多種材料復合以期得到重金屬污染修復效果更為優(yōu)越的材料的研究還很少。因此,對于固化修復材料的深入研究具有重要理論意義。本研究以無機材料—鈣基膨潤土和有機材料—惡性水生雜草空心莧為原料,對鈣基膨潤土進行簡單物理提純得到純度較高的膨潤土吸附材料(BE),分別在300℃、500℃、700℃限氧環(huán)境下制備出空心莧生物炭(PB)和膨潤土—空心莧生物炭復合吸附劑(APB)。通過元素分析、掃描電鏡、傅里葉變換紅外光譜等手段探討了熱解溫度、材料類型對吸附劑理化特性的影響。通過批量吸附實驗研究了有機、無機單一吸附劑及其復合吸附劑對水相中Cd~(2+)的吸附特性及吸附機制。開展了有機、無機單一吸附劑及其復合吸附劑對茶園土壤中Cd~(2+)的固持作用研究和效果評估,探討了單一及復合材料對Cd~(2+)污染茶園土壤修復的可行性。得到如下結論:(1)三種吸附材料均呈堿性。隨著熱解溫度升高,空心莧生物炭和復合吸附劑的pH值增大,產(chǎn)率降低,灰分含量升高,C、H、N、O元素含量及原子比值隨之降低;而其表面酸性官能團減少,芳香性增加。空心莧生物炭表面孔隙結構隨熱解溫度升高而更加豐富,但不利于復合吸附劑表面孔隙結構的發(fā)育。復合吸附劑表面出現(xiàn)Si、Ca、Mg、Al等元素的峰值和Si-O-Si、Si-O伸縮振動吸收峰特征的官能團表明膨潤土成功地負載到了空心莧生物炭上。(2)700℃生物炭和300℃復合吸附劑表現(xiàn)出了良好的吸附能力。準二級吸附動力學模型能更準確地描述吸附劑對Cd~(2+)的吸附動力學過程。吸附劑對Cd~(2+)的吸附過程分為表面吸附和平緩吸附兩個階段,表明在吸附過程中顆粒內(nèi)擴散是主要控速步驟,但不是唯一的控速步驟。吸附劑對Cd~(2+)的吸附行為更符合Freundlich模型描述的不均勻的多層吸附,且吸附劑對Cd~(2+)的吸附為自發(fā)完成的吸熱過程。溶液pH值會顯著影響吸附劑對Cd~(2+)的吸附,在pH值達到6.0時,吸附量基本達到平衡。吸附材料形態(tài)結構、絡合作用、陽離子-π作用、共沉淀作用、離子交換作用等是其主要吸附機制。(3)吸附劑施入后能有效提高土壤pH值,并隨施加量增加而升高。施入吸附劑后,均能顯著降低土壤中Cd有效態(tài)含量,有效固定土壤中的Cd,減少其遷移性,且與吸附劑施入量、熱解溫度均成正比。土壤中可交換態(tài)Cd的含量也能有效降低,且隨施入量增加而呈持續(xù)降低趨勢;碳酸鹽結合態(tài)、殘渣態(tài)、鐵錳氧化物結合態(tài)、有機化合態(tài)形態(tài)中的一種或幾種形態(tài)的含量出現(xiàn)增加變化。在3%施加量下,700℃生物炭對降低土壤中可交換態(tài)Cd~(2+)含量的效果最為顯著,復合吸附劑修復效果略低于700℃生物炭,也取得了良好的效果。
【圖文】：

能譜分析,吸附劑,掃描電鏡圖,樣品