生物質(zhì)炭具有比表面積大、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達、官能團豐富等特點,在改善土壤物理結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)和降低污染物生物有效性等方面具有重要作用,已成為土壤污染修復領域的研究熱點,但其田間老化過程及對土壤環(huán)境的長期效應尚不明確。本課題以現(xiàn)有生物質(zhì)炭田間修復試驗基地為依托,開展生物質(zhì)炭離土老化模擬實驗,運用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)等現(xiàn)代分析技術(shù),考察生物質(zhì)炭在田間環(huán)境長期老化過程中組分與結(jié)構(gòu)的變化,探討其老化產(chǎn)物對土壤有機碳及污染物遷移的影響,闡明生物質(zhì)炭修復重金屬污染土壤的長期效應與潛在的生態(tài)風險。具體的研究結(jié)論如下:(1)以H_2SO_4/HNO_3、NaOH/H_2O_2混合液模擬酸、堿性土壤環(huán)境對生物質(zhì)炭的化學老化過程,結(jié)合官能團及表面結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,分析生物質(zhì)炭化學老化機理,并探討老化過程對生物質(zhì)炭吸附重金屬污染物性能的影響。試驗結(jié)果顯示,老化過程主要是碳的損失與氧的富集過程;老化生物質(zhì)炭具備內(nèi)外元素差異的核殼結(jié)構(gòu),高含碳量(C%)與氧碳比(O/C)是殼結(jié)構(gòu)的顯著特點,表明老化過程是由表及里的氧化過程,氧碳比的升高賦予生物質(zhì)炭材料極強的表面極性,強化其親水性能。光譜分析結(jié)果顯示,老化炭表面含氧官能團增加,其中羧基增加最為顯著;掃描電鏡(SEM)與孔徑分析表明,老化炭表層孔道被嚴重侵蝕,導致炭的比表面積與孔隙率升高;生物質(zhì)炭對鎘(Cd)的吸附試驗結(jié)果表明,酸/堿老化生物質(zhì)炭對鎘具有更好的吸附性能,這是含氧官能團增加和比表面積擴大共同作用的結(jié)果。(2)將田間土壤微生物提取出并在相應水熱環(huán)境下模擬土壤微生物活動對生物質(zhì)炭的老化過程,分析生物質(zhì)炭組成與表面結(jié)構(gòu)變化,研究其水溶性產(chǎn)物對土壤微生物及有機質(zhì)成分的影響。試驗結(jié)果表明,生物質(zhì)炭促進土壤微生物總量的提高,同時微生物活動對生物質(zhì)炭存在氧化礦化作用,在其影響下,老化生物質(zhì)炭表面含氧官能團顯著增加,并導致材料極性升高,親水性增強;結(jié)合化學老化模擬試驗和田間試驗樣品發(fā)現(xiàn),硝基官能團的出現(xiàn)是由酸氧化過程引起,這一結(jié)果為后期分析田間老化生物質(zhì)炭中生物與非生物老化所占比例的研究提供參考點。生物質(zhì)炭的水溶性產(chǎn)物主要為木質(zhì)素和腐殖酸,但由于木質(zhì)素和腐殖酸均為微生物較難直接利用的大分子化合物,導致水溶性有機物的芳香性不斷升高;腐殖酸的溶出不僅增加了土壤水溶性有機質(zhì)含量,還賦予土壤水溶液吸附絡合重金屬離子的能力,存在二次污染的風險。根據(jù)模擬試驗結(jié)果可得:生物質(zhì)炭微生物處理與對照樣相比,其土壤水溶性有機碳因生物老化過程而損失的礦化量可達2 g kg~(-1)土壤。(3)通過對土壤有機-無機復合體含量、特征以及膠結(jié)物鐵氧化物含量與形態(tài)轉(zhuǎn)化的分析,研究生物質(zhì)炭對土壤肥力的長期效應,同時探討生物質(zhì)炭的添加在土壤有機-無機復合體對重金屬污染物遷移的影響。試驗表明,在40 t ha~(-1)施炭密度下,酸性水稻土中松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)含量增加30.1%,鹽堿土中增加25.1%。在酸性水稻土中,炭的施加可減少由有機/無機酸引起的腐殖質(zhì)流失,緩解土壤的灰化層現(xiàn)象,同時增加腐殖質(zhì)中的含氧官能團,增強其絡合效應,穩(wěn)定土壤中重金屬離子;通過X射線衍射技術(shù)(XRD)發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭促進鉛、鎘由非礦物態(tài)向礦物態(tài)轉(zhuǎn)化,降低其生物有效性。在鹽堿土環(huán)境下,生物質(zhì)炭增加表層土(0-20 cm)中鈣鍵腐殖質(zhì)與鐵鋁鍵腐殖質(zhì)含量,同時土壤含水率提高約3%;生物質(zhì)炭表面含氧官能團的增加提高土壤對鎂、鋁等的絡合吸附能力,增加有機-無機復合體含量,從而改善土壤養(yǎng)分。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：X53
【部分圖文】：

圖 2.1 不同處理后生物質(zhì)炭的傅里葉變換紅外光譜圖Fig. 2.1 Fourier transform infrared spectroscopy of biochars from different processes預處理的紅外變換圖可知，C O 吸收峰在各老化環(huán)境下均有所升高，其較為平緩。在酸氧化樣品中較預處理和堿處理樣品多出三個明顯的吸收 NO2sym、和 NO2asym吸收峰。通常認為傅里葉變換紅外光譜中 C=O（1炭中羧基官能團或芳香環(huán)的存在有關[44]；而 NO2sym、和 NO2asym吸收峰的混合酸（H2SO4/HNO3）在生物質(zhì)炭表面形成硝基而形成的。從傅里葉知，生物質(zhì)炭的非生物老化過程會在炭顆粒表面形成種類多樣的含氧官為明顯。進一步研究各含氧官能團的變化趨勢，本課題對所有處理樣進行 X 射線

圖 2.2 不同處理后的蘆葦炭 XPS 曲線圖(a)及 BRSB 的分峰圖(b, c)Fig. 2.2 (a) XPS curves from treated reed-derived biochars and (b,c) PeakFits of BRSB.表 2.2 XPS 中 C1s 與 O1s 所占積分面積比例Tab. 2.2 Relative ratio of peaks in C1s and O1s from XPS.樣品C1s O1sC C C O C=O O=C O CO32 C=O(Carbonyl)O H(Esters)C=O(Esters)C OOR(CarboxylWSB 0.72 0.12 0.07 0.05 0.04 0.12 0.62 0.24 0.02RSB 0.75 0.1 0.07 0.05 0.03 0.09 0.65 0.22 0.04RB 0.78 0.11 0.06 0.03 0.02 0.13 0.65 0.2 0.02PWSB 0.7 0.12 0.08 0.06 0.04 0.07 0.68 0.2 0.05PRSB 0.74 0.1 0.07 0.06 0.03 0.09 0.65 0.21 0.05PRB 0.76 0.12 0.07 0.03 0.02 0.15 0.64 0.17 0.04AWSB-20 0.65 0.16 0.09 0.09 0.01 0.16 0.59 0.19 0.06ARSB-20 0.69 0.14 0.08 0.07 0.02 0.14 0.6 0.18 0.08ARB-20 0.69 0.13 0.09 0.08 0.01 0.14 0.59 0.2 0.07BWSB 0.69 0.13 0.07 0.08 0.03 0.14 0.61 0.21 0.04BRSB 0.74 0.11 0.07 0.06 0.02 0.13 0.62 0.2 0.05

圖 2.3 蘆葦炭原炭(a)、預處理蘆葦炭(b)、酸處理蘆葦炭(c)及堿處理蘆葦炭(d)的掃描電鏡與能譜分析圖Fig. 2.3 The SEM and EDS of reed-derived biochar (a), reed-derived biochar (b), acid treated reed-derived biochar (c) and basic treated reed-derived biochar (d).圖 2.4 各處理炭的氮氣吸脫附等溫線(a)及孔徑分布圖(b)

【參考文獻】

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本文編號：2809011