【摘要】：重金屬污染廣泛來(lái)源于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)以及城市污水,影響范圍大、污染程度深,其治理已成為技術(shù)難題。而生物炭(Biochar,BC)作為生物質(zhì)熱解形成的多孔炭材料,通過(guò)吸附、沉淀等物理化學(xué)作用對(duì)重金屬污染物有較好的去除效果。但生物質(zhì)在熱解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的可溶性物質(zhì)(Dissolved Biochar,DBC),而DBC的成分較為復(fù)雜,含有溶解性的有機(jī)物質(zhì)(Dissolved Organic Matter,DOM)、陰陽(yáng)離子以及納米顆粒等。但目前對(duì)DBC的研究有限,帶來(lái)的環(huán)境影響仍不清晰。因此,本文以BC、水洗生物炭(Washed Biochar,WBC)、DBC為研究對(duì)象,對(duì)三者物理化學(xué)性質(zhì)、吸附重金屬Pb(Ⅱ)的交互作用與機(jī)理以及對(duì)重金屬Pb(Ⅱ)污染土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響開(kāi)展了深入研究。熱解溫度和水洗過(guò)程可以顯著影響生物炭的物理化學(xué)性質(zhì),低溫?zé)峤獾腂C、WBC中含有大量羥基、羧基、亞甲基、芳香類(lèi)結(jié)構(gòu)等。提高熱解溫度后,H/C值(BC:0.07~0.018,WBC:0.061~0.015)的下降以及紅外特征峰的減少表明官能團(tuán)數(shù)量迅速減少,芳香性提高。熱解溫度的提高還增加了生物炭中Al、Ca、Mg、Mn、Na、Si離子的溶出,提高了BC的堿性。BC與WBC差異較大,相同熱解溫度下BC具有更多的官能團(tuán)種類(lèi)和更高的碳層缺陷程度(I_D/I_G值),而WBC具有更大的比表面積和芳香性。與BC相比,相同制備溫度下WBC的吸附速率、容量及pH值均有降低。BC、WBC的差異主要是由于DBC造成,進(jìn)而影響二者對(duì)重金屬Pb(Ⅱ)的吸附能力與過(guò)程。熱解溫度的提高可增加吸附容量和速率,三維熒光光譜表明香蒲BC350中DOM主要為類(lèi)富里酸(含43.36%)和類(lèi)腐殖酸(含56.64%),且重金屬Pb(Ⅱ)與類(lèi)富里酸物質(zhì)結(jié)合能力更強(qiáng)。加入重金屬Pb(Ⅱ)后,BC350溶液DOM濃度下降了51.33%,而B(niǎo)C800溶液中幾乎不含DOM,但其pH在7h內(nèi)由10.49下降至8.04,表明DBC在低熱解溫度時(shí)主要靠DOM的結(jié)合作用去除重金屬,在高熱解溫度時(shí)主要靠堿性的沉淀作用去除重金屬離子。BC去除重金屬Pb(Ⅱ)的過(guò)程符合Langmuir等溫吸附模型與二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。這其中包括物理、化學(xué)吸附,如不溶性碳骨架的孔吸附,DOM與重金屬Pb(Ⅱ)的螯合絡(luò)合,堿性物質(zhì)的沉淀,表面電荷產(chǎn)生的引力,陽(yáng)離子-π鍵,以及BC-DBC-Pb之間的關(guān)聯(lián)交互作用等。BC、WBC在性質(zhì)以及吸附能力上有較大差異,因此對(duì)土壤會(huì)產(chǎn)生不同的作用。通過(guò)高通量技術(shù)研究BC、WBC、DBC加入含Pb土壤后細(xì)菌群落的變化和演替規(guī)律,得出樣本共產(chǎn)生1055條OTU,12個(gè)門(mén),19個(gè)綱,60個(gè)目,103個(gè)科,194個(gè)屬,261個(gè)種。加入BC的土壤Shannon、Ace、Chao指數(shù)均高于其它樣品,Simpson指數(shù)小于其余樣品,說(shuō)明BC的加入有利于微生物多樣性的增加,從而使土壤中細(xì)菌群落產(chǎn)生了改變。各土壤樣本細(xì)菌的門(mén)水平上有所差異,其中變形菌門(mén)(Proteobacteria)豐度最高,其次為擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)和厚壁菌門(mén)(Firmicutes)等。細(xì)菌的屬水平上也存在差異,其中Macellibacteroides屬、芽胞桿菌屬(Bacillus)、從毛單胞菌屬(Comamonas)以及理研菌屬(Petrimonas)豐度較高。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：X53
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文 Pb 的吸附，因此，在不同重金屬濃度投加的條件下，可以得到三者之間作用情況；由于在工程應(yīng)用中，BC 所使用的環(huán)境較為復(fù)雜，因此考慮在環(huán)境條件下 BC 吸附重金屬 Pb(Ⅱ)的效果尤為重要，本研究設(shè)計(jì)不同的件研究對(duì)該過(guò)程的影響，并得到 BC 吸附重金屬 Pb(Ⅱ)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反力學(xué)特性。（4）生物炭對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響為研究 BC 在修復(fù)被重金屬鉛污染的土壤時(shí)土壤中生物群落的演替規(guī)C、WBC、DBC 加入含鉛土壤中，測(cè)定土壤中生物群落變化，為 BC 工程時(shí)對(duì)土壤的影響提供指導(dǎo)，并且對(duì) BC 在應(yīng)用時(shí)對(duì)環(huán)境可能產(chǎn)生的影響做論支撐。.5.4 技術(shù)路線(xiàn)圖本文技術(shù)線(xiàn)路圖如圖 1-1 所示

圖 3-1WBC800 透射電子顯微鏡分析圖a）1×103倍 b）1×104倍c）2×104倍 d）4×105倍2 比表面積分析比表面積較大是 BC 作為良好吸附材料的優(yōu)勢(shì)之一，溫度、生物質(zhì)工藝的差別都會(huì)影響到 BC 比表面積的大小進(jìn)而影響其吸附性能[63]作 BC 與 WBC 比表面積等特征，對(duì)其進(jìn)行氮?dú)馕矫摳綔y(cè)試，圖 N2等溫吸附曲線(xiàn)，隨著熱解溫度由 350℃提升到 800℃，BC 與 W吸附量明顯提高，在相對(duì)壓力小于 0.1 時(shí)，曲線(xiàn)上升速率較快，表較多的微孔結(jié)構(gòu)，隨著相對(duì)壓力的繼續(xù)增大，吸附量也隨之增加。根結(jié)果，BC 比表面積與溫度呈良好的正相關(guān)關(guān)系，BC 的比表面積在 700℃以小于 20 m2/g，當(dāng)熱解溫度達(dá)到 800℃時(shí)，比表面積迅速增52 m2/g；對(duì)于 WBC，比表面積與溫度呈正相關(guān)，但是其上升更為均溫度達(dá)到 800℃時(shí) BC 與 WBC 比表面積接近。BC 具有豐富的孔隙質(zhì)熱解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有機(jī)物、生物油、微小顆粒等，這些物質(zhì)生

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文圖 5-3 為對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組的 OTU 分布維恩圖，實(shí)驗(yàn)組有 BC、WBC、DB三個(gè)土壤樣品，可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組共有的 OTU 數(shù)目為 253 個(gè)，對(duì)組特有的 OTU 數(shù)目為 12 個(gè)，實(shí)驗(yàn)組特有的 OTU 數(shù)目為 69 個(gè)，表明加入 BCDBC、WBC 后改變了土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，在一定程度上有利于微生物的存和繁衍，致使微生物的多樣性增加。圖為 4 個(gè)樣品的 OTU 分布維恩圖，照組、BC、WBC、DBC 特有 OTU 數(shù)目分別為 12、13、14、11 個(gè)，表明四樣品中微生物具有一定的差異性。而 4 個(gè)樣本共有的 OTU 數(shù)目為 194 個(gè)，整體 OTU 的 76.68%，說(shuō)明土壤中微生物本身具較高的穩(wěn)定性，在土壤中加BC、WBC、DBC 后，大部分細(xì)菌種群沒(méi)有消失，當(dāng)土壤環(huán)境發(fā)生一定變化時(shí)細(xì)菌群落也相應(yīng)產(chǎn)生了一定的變化。

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