花生壳和松木屑制备的生物炭对Cu~(2+)的吸附研究

为了深入了解生物炭施用对重金属环境行为和风险的影响,研究了生物炭吸附Cu~(2+)的机理。以花生壳和松木屑为原料,采用限氧升温炭化法,在200~500℃热裂解制得8种生物炭,并通过元素分析仪、傅立叶变换红外光谱分析(FITR)和扫描电镜-能谱分析(SEM/EDS)对其进行了表征。同时,采用批试验方法研究了生物炭对Cu~(2+)吸附行为。研究结果表明,(1)热解温度越高,灰分含量越多,p H增大,生物炭芳构化程度越高,比表面积更大;(2)Cu~(2+)在生物炭上的吸附动力学划分为快吸附和慢吸附两个一级动力学阶段,其中快室是生物炭表面含氧官能团如羧基(-COOH)、酚羟基(-OH)等与重金属离子相互作用的吸附,慢速室是生物炭通过颗粒内扩散作用被生物炭吸附;(3)FM模型更适合于对花生壳和松木屑制备的生物炭吸附Cu~(2+)的数据进行拟合,所得非线性指数(n)的值在0.23~0.67之间且随热解温度升高n值越来越小;(4)在热解温度为200~500℃,花生壳生物炭对Cu~(2+)的吸附量先下降后增加且PS5对Cu~(2+)的吸附性能最佳;而松木生物炭对Cu~(2+)的吸附量没有明显的规律性变化,但PC2对Cu~(2+)的吸附性能最佳。     

有机质官能团及微孔特性对疏水性有机污染物吸附的影响机制

作为重要的地质吸附剂,土壤/沉积物中的有机质是环境中疏水性有机污染物主要的汇.由于有机质的结构异质性,疏水性有机污染物一旦进入其中,会被吸附在不同的位点上,反应活性和生态风险进而会发生变化.对疏水性有机污染物在有机质上的吸附进行研究有助于了解其在环境中的分布,传输及生物有效性.本文就疏水性有机污染物在土壤/沉积物中的有机质上吸附的国内外研究进展进行了综述,讨论了重要有机质组分(腐殖质和碳黑)的结构和吸附作用差异性,重点分析了有机质的微孔特性和官能团对吸附的影响机制.     

生物炭理化性质对其反应活性的影响

生物炭作为一种富炭材料,由于其具有固碳、增强土壤肥力、促进植物生长等特性,在固碳减排及土壤改良方面的应用价值受到广泛关注.同时,生物炭具有较大的比表面积和较高的孔隙率,常被作为吸附剂用于污染物的去除.研究发现生物炭在吸附有机污染物的过程中可降解有机污染物,因此生物炭的反应活性成为近年来研究的热点.生物炭的反应活性主要由其制备过程中生成的环境持久性自由基(EPFRs)和自身的氧化还原能力贡献.生物炭的EPFRs活性与官能团种类、过渡金属含量和EPFRs种类有关,其中官能团和过渡金属通过影响EPFRs的生成及稳定从而影响EPFRs的浓度和种类,进而影响EPFRs活性,而EPFRs种类直接影响EPFRs活性.生物炭的氧化还原活性与官能团、芳香性和导电性有关,其中官能团影响氧化还原活性基团(RAMs)的生成,芳香性和导电性影响基质电导(EC_(BC))结构的生成及导电活性,从而影响氧化还原活性.本文总结了生物炭的反应活性机理和影响因素,旨在为生物炭处理有机物污染物等方面的应用提供理论支撑和技术参考.     

水溶性有机质对土壤吸附有机污染物的影响

在自然环境中,水溶性有机质(DOM)会对土壤吸附有机污染物产生影响.基于已有的成果,本文综合分析了DOM的有关因素对土壤吸附有机污染物的影响.研究表明,不同来源的DOM的亲疏水组分比例不同;随着腐解时间的增长,亲水组分减小,疏水组分增加.外源DOM的极性与亲疏水组分所含官能团的种类和数量、分子量均会影响有机污染物的吸附;DOM的临界值浓度与土壤有机质含量负相关.当DOM浓度大于临界值时抑制吸附,反之促进吸附.DOM具有酸碱缓冲作用,影响土壤溶液的pH,进而影响对有机污染物的吸附.由于土壤内源DOM对有机污染物具有增溶作用,会抑制土壤吸附有机污染物.论文最后对今后的相关研究方向提出了建议.     

腐殖酸负载对萘和1-萘酚在生物炭上吸附动力学的影响

进入环境的生物炭对有机污染物的吸附过程受到普遍共存的溶解性有机质的影响.本研究将两种腐殖酸组分负载在以玉米秸秆为原料、不同炭化温度下(200、400、600℃)制得的生物炭上,考察极性和非极性有机污染物萘和1-萘酚在原始和腐殖酸负载生物炭上的吸附动力学,分别应用拟一级、拟二级和双室一级3种动力学模型对实验数据进行拟合.结果表明,拟二级和双室一级动力学模型均能较好地描述动力学吸附过程.腐殖酸负载对生物炭上萘和1-萘酚的吸附动力学有显著影响,使得平衡吸附量(Q_e)下降,而表观吸附速率提高.致密的芳香碳组分和纳米级孔隙主要对萘和1-萘酚在生物炭上的慢吸附单元起作用,腐殖酸负载降低了生物炭的芳香化程度和孔隙度,慢吸附对总吸附的贡献(f_(slow))降低.生物炭内部有机碳的致密性降低,使得萘和1-萘酚分子容易扩散进入生物炭颗粒内部,加之表面积和孔隙度减少,缩短吸附平衡时间,两种化合物的慢吸附速率常数(k_(slow))均提高.负载腐殖酸后,两种化合物的快吸附速率常数(k_(fast))的变化却不同.腐殖酸负载向生物炭表面引入含氧极性官能团,阻碍萘分子向表面疏水吸附位点扩散,使得萘的k_(fast)下降;而由于1-萘酚是极性有机物,除了疏水作用,其结构中的—OH能通过氢键与生物炭表面相互作用,其k_(fast)反而升高.     

生物炭对土壤重金属化学形态影响的作用机制研究进展

生物炭作为一种新型的环境修复材料,可以利用其结构特性,通过静电吸附、离子交换、官能团络合以及沉淀等作用机制来直接吸附固定土壤重金属,同时还可以通过间接影响土壤理化性质,比如土壤pH值、有机质、氧化还原电位等,从而影响土壤中重金属形态。重金属形态在更大程度上影响着重金属的生物活性,从而产生不同的环境效应。该研究基于国内外相关文献,概述了不同类型生物炭对土壤重金属化学形态变化的影响,并从物理、化学和微生物3个角度,阐述了生物炭影响重金属化学形态的作用机制。未来的研究侧重于生物炭与微生物的相互作用对重金属形态的影响,通过多组学手段,深入分析两者相互作用影响土壤重金属形态的微生物作用机理。     

生物炭修复土壤重金属污染的研究进展

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。近年来,生物炭在污染环境修复方面得到广泛关注,已成为当前环境科学的研究热点。文章综述了近年来国内外有关生物炭修复重金属污染土壤的研究进展,探讨了生物炭对土壤修复的潜力,阐述了生物炭对于土壤重金属生物有效性的影响。相关研究发现,不同来源及裂解温度制备的生物炭对土壤重金属修复的效果不同,不同类型土壤重金属对于生物炭的响应亦非常复杂,从而呈现出各异的土壤重金属修复效果。生物炭对重金属生物有效性的影响源于改变土壤p H、影响土壤有机质含量,改变土壤氧化还原电位及土壤微生物群落组成等多种机制的协同作用,同时生物炭在对重金属的吸附方面扮演着重要角色。生物炭对土壤重金属修复的影响效应取决于生物炭的特性和施用量、土壤肥力和性质、以及重金属种类等因素。因此,必须根据不同土壤的主要重金属污染类型,选择合适的生物炭,以期得到较好的土壤改良效果。今后应加强生物炭在农田土壤改良以及农作物生长方面的研究与应用,进一步探索生物炭在重金属污染土壤中发生的生物和化学反应机理,并且要对生物炭的施用效果进行野外长期定位研究。     

三维多孔生物炭吸附剂的制备及其对菲的吸附行为

以生活中常见的丝瓜络为原材料,在氮气保护和不同温度(600、700、800、900℃)的条件下热解制备了三维多孔丝瓜络生物炭(LSBC600、LSBC700、LSBC800、LSBC900)。表征了丝瓜络生物炭的理化性质,通过动力学吸附实验和等温线吸附实验研究了不同热解温度条件下制备的丝瓜络生物炭对菲的吸附动力学特征和吸附等温线特征,探讨了可能的吸附机理,评估三维多孔生物炭对菲的去除能力,为水生态系统保护和饮用水安全提供科学依据。结果表明,热解温度会影响生物炭的表面官能团组成,进而影响其芳香性。丝瓜络生物炭呈现多管束堆叠的三维多孔结构,随着热解温度的升高,挥发性物质减少,丝瓜络生物炭的表面变得粗糙,比表面积增大,芳香结构增加;LSBC900的比表面积达到了467 m²·g^-1。吸附动力学结果说明,丝瓜络生物炭对菲的吸附是复杂和多阶段的,主导吸附速率的是液膜扩散过程,其次是颗粒内扩散过程。在600-900℃范围内,随着热解温度的升高,丝瓜络生物炭对菲的平衡吸附量升高,吸附速率加快。吸附等温线结果说明,热解温度升高可以提高丝瓜络生物炭对菲的吸附容...     

不同热解温度龙虾壳生物炭特征及对Zn~(2+)的吸附机制

为研究不同热解温度条件下生物炭的理化性质及对Zn~(2+)的吸附特性和机理,以龙虾壳为生物质原料,采用限氧慢速热解法在300、400、500和600℃条件下制备龙虾壳生物炭,分别记作LS300、LS400、LS500和LS600。采用扫描电镜能谱仪(SEM-EDS)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)等对龙虾壳生物炭进行表征,并结合批量吸附实验分析其对Zn~(2+)的吸附特性和机理。结果表明:随着热解温度的升高,龙虾壳生物炭产率降低,灰分含量升高,pH增大,孔径增大,芳香性增强;4种生物炭吸附动力学遵循准二级动力学模型,LS600在7 h时达到吸附平衡,其他3种均在24 h时达到平衡;LS600的吸附等温线更符合Langmuir模型,LS300、LS400和LS500的等温吸附过程更符合Freundlich模型,LS600对Zn~(2+)的吸附效果最好,最大吸附容量可达462. 50 mg·g-1;龙虾壳生物炭对Zn~(2+)的吸附机理包括阳离子交换、沉淀作用、与含氧官能团络合及与π电子配位。     

土壤中溶解性有机质的环境特性与行为

本文就土壤中溶解性有机质(DOM)的吸附-解吸特性、迁移-转化特性及其影响因素、DOM对重金属吸附-解吸及生物毒性的影响、DOM对农药等有机污染物吸附-解吸及生物可降解性的影响进行了评述。同时，对DOM与水体富营养化的关系及DOM对温室气体排放的影响进行了探讨。     

生物炭对土壤硝化反硝化微生物群落的影响研究进展

生物炭因具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团和无机矿物等特性,在控制农业面源污染和温室气体排放方面有着良好的应用前景.生物炭对氮循环微生物群落特征的影响是生物炭能否有效控制面源污染和改良土壤的核心问题.围绕生物炭对土壤氮循环微生物群落特征的影响,从生物炭的多元性、添加量和环境条件3个方面综述生物炭对土壤硝化和反硝化微生物的影响研究进展.高温热解生物炭对土壤氮循环微生物的积极作用要比低温热解生物炭效果好;生物炭原料来源、添加量对土壤氮循环微生物群落的影响存在较大差异;添加有机肥料要比常规化肥更能提高氮循环微生物碳源的利用能力及其活性;环境中的污染物如多环芳烃(PAHs)、酚类化合物(PHCs)和重金属等的存在不利于氮循环微生物的生存.随着分子生物技术的进步,未来应结合多种分子生态学技术和稳定同位素探针技术等手段研究生物炭对土壤氮循环微生物的影响机制,生物炭热解温度和添加量对土壤氮循环微生物的影响不容忽视,在长期的田间试验中应注意老化生物炭对污染物和氮循环微生物的影响.     

玉米秸秆生物炭和碳骨架的制备及对农田土壤CO2排放的影响

为探明生物炭对黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的影响及机理,于400、600和800℃条件下制备玉米秸秆生物炭(BC),并采用热水浸提法制备碳骨架(BS)。在分析材料基本性质的基础上,将其分别按质量比1%和2%与土壤充分混匀,开展为期50 d的室内静态土壤培养实验。结果表明,随着热解温度的升高(从400℃上升到800℃),玉米秸秆生物炭和碳骨架的pH值和总碱性含氧官能团含量显著增加,而溶解性有机碳(DOC)含量、易氧化有机碳(ROC)含量和总酸性含氧官能团含量则显著降低(P0.05)。碳骨架DOC和ROC含量均显著低于同一热解温度条件下制得的生物炭(P0.05)。随着添加材料(生物炭或碳骨架)热解温度的升高,各处理CO_2累积排放量呈降低趋势,且添加生物炭处理的CO_2累积排放量高于添加碳骨架处理,尤其是BC-2%处理CO_2累积排放量显著高于BS-1%处理(P0.05)。在整个培养过程中,培养体系的DOC和ROC含量均呈降低趋势,但DOC含量降低幅度(87.90%～89.18%)大于ROC含量(19.29%～38.49%);培养过程中400、600和800℃处理DOC和ROC含量均呈BC-2%BC-1%/BS-2%BS-1%对照趋势。在添加生物炭或碳骨架处理中,与ROC含量相比,DOC含量对CO_2排放变化的解释程度更高,且达到显著水平(P0.01)。DOC和ROC含量均是影响黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的重要因素,但相比较而言,DOC含量的影响更加显著。     

雷竹落叶生物炭对微囊藻毒素的吸附性能

为探索农业废弃物再生吸附材料对微囊藻毒素的吸附机制问题,采用典型农业废弃物雷竹落叶制备生物炭,研究适宜的制备工艺,探讨吸附条件和有机介质对微囊藻毒素-LR(MCLR)的吸附特性影响及其机制.结果表明,雷竹落叶竹叶生物炭的芳香性随着炭化温度和升温速率的升高而增加,极性指数则减小,同时比表面积也迅速增大,从0.25 m2·g-1到87.09 m2·g-1;竹叶生物炭对水体中MCLR具有较强的吸附能力,吸附量随炭化温度和升温速率的升高而增加,从72.27μg·g-1到624.47μg·g-1;吸附行为符合非线性Freundlich模型,且N指数和lnKF与芳香性和极性大小呈良好的线性关系;吸附效果受pH、反应温度和自然界溶解性有机质(DOMs)的影响,在pH值为3时有最大吸附量,当反应温度升高时吸附量减小,DOMs对MCLR的吸附有明显的竞争作用.适宜的制备工艺生成的雷竹落叶生物炭能有效地去除水体中MCLR.     

生物炭及其复合材料在土壤污染修复中的应用研究进展

人类活动产生的重金属与农药残留的有机污染物在土壤中的积累致使土壤遭受严重污染,引发了一系列生态问题。生物炭及其复合材料因其独特的表面结构使其可通过物理或化学等作用吸附土壤中的污染物,限制其在生态系统中的迁移与传递过程,进而改善土壤理化性质,因此生物炭在土壤污染治理方面的应用研究越来越多地引起关注,但多数研究局限于实验室水平。文章对近年来生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用的相关研究进行了整理,从重金属与有机污染物两个方面切入,阐述了不同生物炭材料在污染土壤中对两类污染物的作用机理;介绍了生物炭的改性和复合方法及其应用优势,同时对生物炭材料在污染土壤修复中的研究重点进行了展望。复合材料可以显著增强生物炭对污染物的吸附性能。从吸附机理上看,生物炭及其复合材料对重金属污染多以静电作用、离子交换作用、表面官能团作用为主;对有机污染物则主要以分配作用、吸附作用、孔隙填充为主,但在实际应用过程中,这些机理往往共同发挥作用,只是贡献程度不同。另外,生物炭及其复合材料也可通过提高土壤质量间接增强土壤对污染物的抗性等。虽然纳米材料能够增强生物炭的性能,但其对土壤中微生物的毒性机理尚不完全清楚。综上所述,生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用能显著降低污染物的毒性,但新型生物炭复合材料的作用机理有待进一步的研究和论证。     

滇池底泥制备的生物炭对菲的吸附-解吸

将滇池草海底泥在不同烧制温度下制成生物炭,并用元素分析法表征其元素组成,溴化钾压片法表征其红外光谱,CO2和N2法表征其比表面积、孔体积、孔径．以菲作为模型化合物来研究有机污染物在生物炭上的吸附一解吸行为,以此深入了解生物炭施用中对有机污染物环境行为和风险的影响．结果表明,生物炭随烧制温度升高,芳香性升高、亲水性降低、...     

皇竹草生物炭的结构特征及对重金属吸附作用机制

本研究以皇竹草秸秆为生物质原料,在不同温度(400—700℃)下利用限氧热解法烧制一系列秸秆生物炭.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱对所得生物炭样品进行分析,结果表明,500℃可使皇竹草秸秆生物炭充分热解,所得的生物炭晶体构成主要由半晶体结构涡轮层碳和一些矿物晶体组成,表面含有芳香类化合物、不饱和的醚类物质、无定形碳和C—C、C—O、C—OH等官能团.吸附实验表明,不同热解温度的皇竹草秸秆生物炭对混合重金属(Cr(Ⅵ)、Cu~(2+)、Cd~(2+))的吸附效果差异显著.在EDTA共存的条件下,皇竹草秸秆生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附量远高于Cu~(2+)、Cd~(2+),其中500℃下热解得到的生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附量达1.525 mg·g-1,而对Cu~(2+)和Cd~(2+)的吸附量约在0.05—0.15 mg·g-1.p H影响实验表明,在酸性条件(p H 1—4)下有利于Cr(Ⅵ)的吸附,其吸附量最高可达1.836 mg·g-1,在碱性条件(p H 9—13)下有利用于Cu~(2+)的去除,其吸附量最高可达0.836 mg·g-1.Cu~(2+)和Cd~(2+)在生物炭的吸附作用主要发生在C—C/C—H、C—O/C—OH等官能团上,重金属与生物炭中C—O官能团中的氧原子可能存在配位作用.     

不同温度生物炭酸化前后的表面特性及镉溶液吸附能力比较

以稻秆为原料,在不同温度(300,400,500,600,700℃)条件下采用限氧控温炭化制备生物炭,用HCl和HF对其进行酸化处理,利用傅立叶变换红外光谱仪、比表面积和孔径测定仪现代分析手段对生物炭酸化前后的表面官能团、比表面积、孔径等特性进行比较,分析制备温度和生物炭表面特性之间的关系,探究制备所需生物炭的最佳温度条件。通过生物炭酸化处理和镉吸附实验结果,研究酸可溶矿物在生物炭吸附镉的贡献及制备温度对生物炭吸附镉能力的影响,为生物炭吸附水体中重金属镉提供科学依据。傅里叶红外分析表明,不同温度生物炭表面官能团存在一定的差异,主要表现为随制备温度升高,烷烃基缺失,甲基-CH3和亚甲基-CH2逐渐消失,形成了芳香环且芳香化程度增加。生物炭酸化后无机矿物Si O2吸收峰逐渐消失,官能团种类并没有发生变化,不同官能团随制备温度变化规律仍与酸化前生物炭一致。表面积及孔径分析结果表明,生物炭孔结构主要为中孔,随着热解温度的升高,比表面积和总孔容有所增大,在600℃达到最大;平均孔径随着制备温度升高而变小。生物炭酸化处理可以显著增大生物炭比表面积,总孔容也有所增加。生物炭酸化后充分去除了矿物质,孔隙结构未发生变化,孔结构仍为中孔,微孔表面积减小。镉吸附实验表明生物炭对镉具有较强的吸附能力,不同温度条件下镉吸附率均高于75%,且随温度升高而上升。生物炭经酸化处理后,镉吸附能力显著下降,这说明生物炭中的酸可溶矿物质在镉溶液的吸附过程中有重要作用。     

动植物来源生物炭对水体中Cd~(2+)的吸附特性

以动植物来源(鸡粪便和小麦秸秆)的生物质为原料,在350和650℃条件下慢速热解制备生物炭并表征其理化性质,采用批量吸附试验研究不同吸附时间、溶液pH值和Cd~(2+)浓度条件下生物炭对Cd~(2+)的吸附特性。结果表明,随着热解温度升高,生物炭的pH值和灰分含量升高,芳香性和疏水性增强,极性减弱。相同热解温度条件下,动物来源的鸡粪炭pH值和灰分含量比植物来源的小麦秸秆炭高,芳香结构更完备。生物炭对Cd~(2+)的吸附动力学过程均符合准二级动力学模型(R20.99),吸附在12 h时达到平衡,吸附过程均由外部液膜扩散、表面吸附和颗粒内扩散共同控制,且后者是主要限速步骤。随着溶液pH值的升高(2.0~6.0),生物炭对Cd~(2+)的吸附量均逐渐增加。Langmuir模型能很好地描述植物来源的小麦秸秆炭对Cd~(2+)的吸附行为(R2为0.970 3~0.981 5),Freundlich模型更适用于动物来源的鸡粪炭(R2为0.971 7~0.976 9),动物来源的鸡粪炭对Cd~(2+)的吸附效果优于植物来源的小麦秸秆炭。阳离子-π作用和沉淀作用是650℃生物炭吸附Cd~(2+)的主要机制。     

热解底泥对两种氟喹诺酮类抗生素和双酚A的吸附

将滇池断桥底泥在不同炭化温度(200℃—500℃)下制成热解底泥,用元素分析仪表征其元素组成.以诺氟沙星(NOR)、氧氟沙星(OFL)和双酚A(BPA)为代表化合物,研究人工合成有机污染物在热解底泥上的吸附行为,从而深入了解热解底泥的吸附特性以及其施用对有机污染物的环境行为和风险的影响.结果表明,热解底泥随炭化温度的增加,芳香性升高,极性降低,阳离子交换量降低,对NOR、OFL和BPA的吸附非线性增强.热解底泥的吸附性能比原始底泥更强,随炭化温度的升高,对NOR的吸附依次减弱,对OFL的吸附变化不大,对BPA的吸附依次增强,这与热解底泥极性和阳离子交换量,以及吸附质的极性相关.在原始底泥和热解底泥上,NOR和OFL的吸附均明显强于BPA,这主要因为NOR和OFL与底泥中无机矿物组分可通过阳离子交换作用和阳离子桥接作用使其吸附强于BPA,并且NOR和OFL相比于BPA官能团多且复杂.     

生物炭吸附有机污染物的研究进展

生物炭(biochar)是指生物质在缺氧条件下热裂解产生的一种产物.由于其精致的孔隙结构和独特的表面化学性质,对环境介质中的有机污染物有超强的吸附能力,进而影响污染物的迁移与归宿.近年来生物炭对有机污染物的吸附特性及机理研究已成为环境科学领域的研究热点之一.本文从生物炭的典型性状、吸附有机污染物的机理、影响因素以及对土壤中有机污染物生物可给性的影响等方面进行了综述,并提出生物炭吸附有机污染物未来的研究方向.