生物炭復合肥料的制備及其對農(nóng)田土壤鎘污染修復效應

發(fā)布時間：2020-10-14 02:43

　　土壤鎘污染不僅會影響土壤生態(tài)系統(tǒng),抑制植物生長發(fā)育,降低作物產(chǎn)量和品質(zhì),而且極易通過食物鏈積累威脅人體健康。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署于1984年明確將鎘列為當前最重要的一種農(nóng)業(yè)環(huán)境污染物。隨著土壤鎘污染日益加劇以及人民安全糧食的需求持續(xù)增加,尋找一種低成本高效率有肥力的農(nóng)田土壤鈍化技術(shù)成為近年來的研究熱點。生物炭及其復合材料具有豐富的活性官能團、復雜的孔隙結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和陽離子交換量等特點為其鈍化土壤重金屬和改善農(nóng)田肥力提供了可能。本文利用玉米秸稈生物質(zhì)、硅藻土、重過磷酸鈣和尿素按照一定比例(生物質(zhì):硅藻土:重過磷酸鈣=5:1:1和生物質(zhì):硅藻土:重過磷酸鈣=10:1:1)制備成B5PNx系列、B10PNx系列生物炭復合肥料,并分析其理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)�；谕寥朗覂�(nèi)培養(yǎng)實驗和田間玉米種植實驗研究了生物炭復合肥料對鎘污染土壤的鈍化改良效果和對玉米生長的影響。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)生物炭復合肥料的基本理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)。相比單一生物炭Bx,B5PNx系列屬于中性材料(pH:6.91~7.14),B10PNx系列為弱堿性材料(pH:8.01~8.74)�；诠倌軋F分析,B5PNx系列和B10PNx系列比Bx具有更多的脂肪族C-O拉伸、Si-O-Si、PO_4~(3-)、氨基等活性官能團。制備的B5PNx和B10PNx生物炭復合肥料屬于介孔結(jié)構(gòu)(2nmd10nm),孔徑僅為2 nm左右,而且比表面積明顯大于Bx生物炭。與單一生物炭Bx相比,B5PNx和B10PNx系列生物炭復合肥料中具有較高的P、N、Si元素含量�；赟EM微觀結(jié)構(gòu)顯示,B5PNx和B10PNx主要表現(xiàn)為尺寸較為均勻的魚鱗層狀結(jié)構(gòu)和蜂窩骨狀結(jié)構(gòu)相互無序排列,明顯區(qū)別于Bx生物炭的片狀結(jié)構(gòu)。(2)基于室內(nèi)土壤培育實驗開展了生物炭復合肥料對土壤Cd的鈍化效應研究。結(jié)果表明:隨著熱解溫度升高,生物炭復合肥料對土壤Cd的鈍化效果逐漸增強。當熱解溫度為600℃時,對土壤Cd的平均鈍化率最高(34.02%)。不同原料配比下,B5PNx系列對土壤Cd的鈍化效果最好,其鈍化率平均為34.43%。隨著投加量的增加生物炭材料對土壤的鈍化率隨之升高,投加量為3%時,生物炭復合肥料B5PN_6對鎘的平均鈍化率為41.2%,是單一生物炭平均鈍化率的1.45倍。基于性能表征和鈍化效果分析,生物炭復合肥料對土壤鎘的鈍化機理主要是通過復合硅藻土、重過磷酸鈣、尿素等材料增加其表面官能團(硅氧基、烷氧基、氨基、胺基、羧基等)和表面礦物質(zhì)(磷酸根、碳酸根等),使其與土壤中鎘離子發(fā)生絡合、沉淀等化學作用,進而改變土壤中鎘的形態(tài),使鎘發(fā)生鈍化;同時,生物炭復合肥料復雜的孔洞結(jié)構(gòu)提供了更多的陰影孔和吸附位點,可以進一步鎖住鎘,提高生物炭復合肥料鈍化鎘的穩(wěn)定性。(3)基于田間微區(qū)實驗分析生物炭復合肥料對土壤和作物系統(tǒng)的環(huán)境效應。結(jié)果表明,隨著生物炭復合肥料施用量的增加,田間土壤中鎘有效態(tài)含量與土壤鎘全量的比值(有效態(tài)占比)顯著降低,當施加量為1800 kg·ha~(-1)時土壤中鎘有效態(tài)占比最低(31.43%)。不同原料配比下,施加B5PNx系列生物炭材料時,農(nóng)田土壤平均Cd有效態(tài)占比最低(33.15%)。不同熱解溫度下,施加600℃制備生物炭材料時,農(nóng)田土壤平均Cd有效態(tài)占比最低(34.68%)。同時,施加生物炭復合肥料顯著提高了農(nóng)田土壤有機質(zhì)和陽離子交換量。B5PN_6生物炭復合肥料按照1800 kg·ha~(-1)施用后,農(nóng)田土壤有機質(zhì)含量和陽離子交換量分別為2.89%和12.93cmol·kg~(-1),分別是施用Bx系列土壤有機質(zhì)(2.21%)和陽離子交換量(10.76cmol·kg~(-1))的1.3倍和1.2倍。(4)基于田間微區(qū)實驗分析生物炭復合肥料對土壤-作物系統(tǒng)中鎘的生物有效性。與對照相比,不同施加量(450 kg·ha~(-1)、900 kg·ha~(-1)、1800 kg·ha~(-1))處理的玉米籽粒鎘含量分別降低了16.67%、26.19%、30.95%。不同原料配比(Bx、B5PNx、B10PNx)處理的玉米籽粒鎘含量分別降低了23.38%、21.43%、26.19%。不同熱解溫度(300℃、450℃、600℃)處理的玉米籽粒鎘含量分別降低了16.67%、21.43%、33.33%。與Bx生物炭相比,施用生物炭復合肥料后顯著降低了玉米籽粒鎘富集系數(shù)。施用B5PNx復合肥料的玉米籽粒平均富集系數(shù)為0.34%,比施用Bx生物炭后玉米籽粒的平均富集系數(shù)(0.38%)降低了10.53%。其中以生物炭復合肥料施加量為1800kg·ha~(-1)的處理效果最好。基于生物炭材料的性質(zhì)、室內(nèi)培育實驗和田間試驗的結(jié)果,當生物質(zhì)與硅藻土、重過磷酸鈣質(zhì)量之比為5:1:1,熱解溫度為600℃時制備的B5PN_6生物炭復合肥料對土壤和作物系統(tǒng)環(huán)境效應最好。因此,本研究初步確定生物炭復合肥料的制備條件為玉米秸稈生物質(zhì)、硅藻土和重過磷酸鈣按照5:1:1混合后,在600℃無氧氛圍下高溫裂解,然后與尿素4:1混合烘焙3小時。
【學位單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：S143.6;X53
【部分圖文】：

生物炭,灰分分析,復合肥料,生物質(zhì)

生物炭復合肥料的制備及其對農(nóng)田土壤鎘污染修復效應 13.01。這與相關(guān)學者的研究結(jié)果一致[65]�？赡芤驗樵跓峤膺^程能團發(fā)生改變，而且其改變程度和溫度有關(guān)。單一普通生物炭的.01，屬于強堿性。在復合生物炭肥料方面，生物質(zhì)含量高的 B10P生物質(zhì)含量低的 B5PNx 系列 pH 值高，最高高出 29.66%。B5PN性材料，B10PNx 系列屬于堿性材料。這說明在熱解過程中，四物質(zhì)、硅藻土和重過磷酸鈣發(fā)生了較強的化學反應，可能官能團改變，而且這種改變和生物質(zhì)與硅藻土、重過磷酸鈣的配比有關(guān)于鈍化土壤重金屬來說，弱酸性的材料不適宜作為鈍化材料，反金屬的風險。而強堿性的單一生物質(zhì)（pH 范圍為 9.19-13.01）對能會產(chǎn)生不良影響。因此，從不同處理條件下各生物炭的 pH 結(jié)x 系列生物炭復合材料更適宜作為環(huán)境友好型土壤鈍化劑和改良

生物炭,灰分,復合肥料,官能團分析

2 生物炭復合肥料的制備及其性能鈣灰分在 74.15%左右，與其無機成分含量有關(guān)。除了 B5PN4.5，和單一生物炭的灰分都隨著熱解溫度的升高而升高，可能是熱解于穩(wěn)定，因此，灰分含量較高。種原材料的灰分具有極端性，非高及低，但是復合生物炭肥料的0%~40%，這說明在熱解的過程中，四種材料發(fā)生了復雜的化學反值數(shù)據(jù)吻合。灰分是生物炭中無機部分，主要有 SiO2、CaO、有吸附能力，所以灰分的存在會對生物炭的吸附性能造成一定程度硅藻土、重過磷酸鈣和尿素復合后生物炭復合肥料的灰分含量相的單一生物炭均有所降低，生物質(zhì)含量高的 B10PNx 系列灰分比。而且 B10PNx 系列的灰分比單一生物炭低，進一步說明了在熱解學反應。

紅外光譜圖,紅外光譜