生物炭表面NO吸附特性的量子化学研究

生物炭表面具有丰富的官能团,通过化学吸附可以与一氧化氮(NO)分子形成稳定化学键,廉价易得且环境适应性强,具有广阔的应用前景.然而,当前对生物炭表面NO吸附特性的研究大多仍停留在宏观层面,缺乏深入的微观机制解析.本文基于密度泛函理论,深入研究了生物炭表面一氧化氮(NO)的吸附转化路径,从分子层面揭示了生物炭对NO的吸附特性.研究结果显示,N-down型吸附构型的能量普遍低于O-down型吸附构型,是较为可能的吸附构型,并且含氧原子的官能团在NO的吸附和氨(NH_(3))的形成过程中扮演着关键角色.此外,通过对N-down型构型的进一步分析发现,在与活性位点结合后,NO将优先取代羟基,最终在生物质焦炭表面转化为NH_(3).同时,基于变分过渡态理论(CVT)计算了反应速率,发现NO优先反应的途径将受到不同区域内反应速率的限制.本文通过量子化学方法深入揭示了生物炭表面NO吸附特性的微观机制,为优化生物炭在NO治理中的应用提供了理论支持.

生物炭对新烟碱类农药的吸附性能与环境应用评估

农药的广泛高剂量使用对生物产生严重的毒性作用,造成严重的土壤污染和水污染。农药污染问题日益突出,迫切需要经济、有效的农药污染土壤修复处理技术加以解决。生物炭具有比表面积大、孔隙度高、吸附能力强等特点,可以吸附污染土壤中的农药,改善土壤状况,是一种具有广阔应用前景的生物材料。近年来,人们通过制备改性生物炭来提高生物炭的理化性能和吸附性能,为生物炭的应用开辟了新道路。详细阐述了生物炭的特性、新烟碱类农药的危害、生物炭对新烟碱类农药的吸附以及生物炭再生方法,以期为修复新烟碱类农药污染提供一定的参考和指导。此外,通过比较生物炭再生方法,为今后选择经济、有效、简便的生物炭再生应用提供参考。

不同龄期生物炭混凝土力学性能试验研究

将生物炭用于混凝土材料可改善其力学性能,实现固碳的同时丰富了生物质材料固废利用的途径。为研究不同龄期下椰壳、玉米秸秆、稻壳3种生物炭混凝土的工作性能与力学性能,将它以不同质量百分比替代水泥制备生物炭混凝土,对生物碳混凝土的塌落度、基本力学性能展开试验研究。采用SEM和XRD观察生物炭混凝土微观结构与水化产物。结果表明微观结构上生物炭促进了混凝土中水化硅酸钙的生成,水化产物间搭接密实,填充内部孔隙,增加密实程度,进而提升混凝土的宏观力学性能;生物炭可使混凝土7、14 d早期强度显著提升,早期抗压强度最高可提升19.7%,劈裂抗拉强度最高可提升21.7%,抗折强度最高可提升17.3%。

生物炭基肥制备及其农业应用研究进展

生物炭是碳化的生物质材料,具有比表面积大、孔隙度大、官能团丰富和吸附性能好等优点,被广泛应用于工业、农业等行业的实际生产。然而,在农业生产过程中,单独使用生物炭存在养分易流失和肥料利用率较低的问题。因此,以生物炭为载体制备而成的生物炭基肥作为一种新型缓释肥料而受到广泛关注。然而,关于生物炭基肥制备方法及其优点和局限性缺乏系统而全面的报道。对近年来生物炭基肥的组成、制备方法及其在农业中的应用进行总结归纳,讨论不同生物炭原料、肥料和黏结剂对生物炭基肥性能的影响;归纳掺杂法、造粒法、包膜法和吸附法4种生物炭基肥制备方法的优缺点;分析生物炭基肥作为肥料,在改善土壤理化性质、土壤微生物和土壤酶以及提高作物产量和品质方面的影响。结果表明,以生物炭为载体与不同肥料通过不用方法制备而成的生物炭基肥,不仅能够实现废弃物的资源化利用,还能改善土壤的理化性质,调节土壤微生物和酶活性,提高植物对养分的利用效率以及减少土壤中的养分流失。可见,生物炭基肥是促进农业绿色可持续发展的可行途径。

生物炭对微塑料污染下普通白菜生长和土壤细菌群落结构的影响

采用盆栽试验,以四季小白菜为试材,研究了施用生物炭对不同微塑料类型(PP、PE、PVC)污染下普通白菜生长、土壤细菌群落结构和丰度的影响,并进行了功能预测分析。结果表明,微塑料污染对普通白菜鲜质量和叶片数有抑制作用,施用生物炭对微塑料污染下的普通白菜鲜质量、株高和根长均有促进作用。微塑料及其与生物炭共存处理显著增加了土壤细菌丰度,其中PER处理土壤细菌丰度最大;PE、PVC及其与生物炭共存处理均显著促进土壤细菌Chao1指数和ACE指数增加。在门水平上,放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、酸杆菌门为优势类群;微塑料及其生物炭共存处理促进了放线菌门相对丰度的增加,抑制了变形菌门、酸杆菌门相对丰度。土壤p H以及有机碳、铵态氮、硝态氮、速效钾含量是土壤细菌群落结构变化的主要影响因素。PICRUSt分析表明,施用生物炭提高了微塑料污染下土壤新陈代谢、环境信息处理和有机系统等有益细菌代谢通路的相对丰度。综上,施用生物炭对微塑料污染下土壤微生物影响较大,但其影响程度因微塑料类型而异。

磁性生物炭合成及其对重金属吸附机制的研究进展

磁性生物炭(Magnetic biochar,MBC)因其磁分离能力和广阔应用前景而受到研究者广泛关注。MBC中碳基结构特征(如形貌、比表面积、官能团等)和铁氧化物形态及分布受多因素影响,如原料来源、热解温度、合成方法等。然而,MBC特性与合成条件的关联性以及MBC对重金属的吸附机制有待进一步研究。本文通过阐述合成条件对MBC特性的影响及其吸附重金属机制,提出关于未来MBC吸附重金属研究的一些科学问题,这将为认识MBC的环境效应提供重要的基础信息。

减氮配施生物炭对北疆小麦产量品质及固碳减排的影响

为研究生物炭在北疆灌区农田应用的稳产增产及固碳减排综合潜力,探索农田氮肥优化施用途径,该研究于2021年4月—2022年7月在新疆奇台设置常规施氮(N1:300 kg/hm^(2))、氮肥减量15%(N2:255 kg/hm^(2))、氮肥减量30%(N3:210 kg/hm^(2))、单施生物炭(B:20 t/hm^(2))、常规施氮+生物炭(N1B)、氮肥减量15%+生物炭(N2B)、氮肥减量30%+生物炭(N3B)7个处理,分析两季小麦(春小麦、冬小麦)种植期间不同处理下麦田土壤有机碳含量、土壤呼吸速率、小麦品质及产量变化。结果表明,与单施常规氮肥相比,施用生物炭后土壤总有机碳(soil total organic carbon,SOC)、活性有机碳(active organic carbon,AOC)、碳库管理指数(carbon pool management index,CPMI)和小麦产量、籽粒水分及蛋白(干基)含量均呈提高趋势。综合表现以氮肥减量15%配施生物炭(N2B)处理最优,较氮肥常规单施(N1)相比,AOC、SOC均有显著提高,2 a产量分别显著提高22.12%、36.17%(P<0.05)。与常规施氮相比,氮肥减量15%配施生物炭(N2B)处理下,2022年冬小麦蛋白(干基)、面筋(湿基)、Zeleny沉降值均有提高,而2021年各处理间差异不显著(P>0.05)。同时,除单施生物炭(B)处理(2021年)和除单施生物炭(B)及减氮15%(N2)处理外(2022年),其他处理下土壤CO_(2)累积排放量较单施常规氮肥均有所升高。综上,氮肥减量15%(255 kg/hm^(2))配施20 t/hm^(2)生物炭时其农田土壤固碳减排效果及小麦产量品质综合表现较好,建议作为北疆灌区麦田氮肥优化配施生物炭的理想施肥方案。

棉秆和油页岩共热解生物炭的氨氮吸附性能研究

使用棉秆(CS)和油页岩(OS)为原料,采用共热解的方式制备了共热解生物炭,探究了对氨氮的吸附性能。考察了不同热解时间、CS和OS比例、热解温度、CS的粒径对共热解生物炭的氨氮吸附量的影响规律,确定了最佳制备条件,并研究了吸附动力学和吸附等温线模型。研究表明,棉秆和油页岩共热解后生物炭的结构特性和表面形貌有较大改善,对氨氮的吸附能力有明显的提高。最佳的制备条件是热解温度为500℃、m(棉秆)∶m(油页岩)=3∶1、热解时间为30 min和CS的粒径为0.20~0.30 mm。在投加量为10.0 g/L、pH 9.0时,最佳条件所制备炭的吸附量为4.89 mg/g,是棉秆生物炭的2.2倍。吸附过程以准二级动力学和Langmuir等温吸附模型描述。吸附机制主要包括为离子交换、静电吸附和配位作用。

污泥生物炭对水体中磷的吸附

以污水处理厂剩余污泥(RS)制备成的污泥生物炭(SDBC)作为吸附剂,采用批平衡法研究SDBC对磷的吸附特征,考察投加量、溶液pH值等因素对SDBC吸附磷的影响,并通过响应面法(RSM)对影响磷吸附的条件进行优化,结合实验结果与表征数据对SDBC吸附磷的机制进行探究.结果表明,SDBC对磷的吸附动力学符合Elovich(R^(2)=0.984)方程,说明SDBC对磷的吸附过程是多种反应共同作用的非均相扩散过程;Langmuir(R^(2)=0.980)和Langmuir-Freundlich(R^(2)=0.979)方程能很好地描述磷在SDBC上的吸附行为,由Langmuir拟合所得的磷最大吸附量为4.508mg/g;Langmuir-Freundlich模型拟合均相指数n(1.143)较小,说明SDBC上吸附位点分布不均匀,SDBC与磷之间存在相互作用力.SDBC吸附磷的最佳初始pH值为4.0~5.0;SDBC对磷吸附的最佳投加量为8g/L.通过RSM分析得到SDBC对磷的最佳吸附条件为SDBC的投加量为5g/L,磷的初始浓度c0为10mg/L,pH为5.0.SDBC对磷吸附的可能机制包括静电吸附作用,共沉淀作用,置换作用,配体交换作用以及孔隙填充作用.

氢氧化钠改性生物炭/凹凸棒石复合材料对铅、镉的吸附机理研究

利用水稻秸秆与凹凸棒石在缺氧条件下热解制备稻秆生物炭/凹凸棒石复合材料(BA),并通过氢氧化钠改性提升其吸附性能。通过吸附动力学、等温吸附及改变初始pH等吸附试验研究复合材料在Cd、Pb一元及二元污染体系中的吸附行为,并结合扫描电镜能谱(SEM-EDS)、比表面积及孔径分析(BET)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱分析(XPS)等表征手段深入分析改性后复合材料对溶液中重金属Cd、Pb的吸附机理。试验结果表明氢氧化钠改性复合材料(NBA)对Cd^(2+)和Pb^(2+)的吸附容量分别为117.05和274.65 mg·g^(-1),其去除效率比BA分别增加31.2%和51.7%。在二元金属体系中NBA吸附能力也明显优于BA,准二级动力学模型和Langmuir等温模型能更好地用于模拟吸附结果,表明该吸附主要为单分子化学吸附过程。此外,竞争吸附分析表明在Cd、Pb共存溶液中,与Cd^(2+)相比,Pb^(2+)更易被复合材料吸附。通过SEM-EDS、FTIR、XRD和XPS等表征方法确定了NBA对Cd^(2+)和Pb^(2+)的吸附机制,主要包括其与表面含氧官能团的络合作用、与矿物质的沉淀作用及π-电子作用。综上,改性复合材料NBA在实际废水处理中是一种极具潜力的吸附剂。

生物炭概念的内涵及语词辨析

多年来国内学术界对英文词汇biochar的中文应表述为"生物炭"还是"生物质炭"存在争议。本文根据逻辑学关于概念及语词、定义及划分的基本方法,试图剖析生物炭(生物质炭)概念的内涵与语词的混乱现象,澄清当前生物炭定义及划分等方面存在的逻辑问题,旨在深入理解生物炭的专业术语、促进科学知识的传播和科技成果的推广应用。

农林废弃物共热解对污泥生物炭Cu(Ⅱ)吸附性能的影响

将山地城市污泥与水稻杆、水稻壳、桉树枝、桉树叶等农林废弃物进行共热解,研究共热解对生物炭理化性质及Cu(II)吸附性能的影响,探讨共热解对Cu(II)吸附性能的协同作用。结果显示,与污泥炭相比,水稻壳、水稻杆、桉树枝、桉树叶与污泥共热解制备的生物炭,C含量分别增大了0.64倍、0.87倍、1.04倍、1.22倍,O含量分别增大了1.11倍、1.25倍、2.01倍、2.17倍,对Cu(II)最大吸附量分别增大了28.4%,60.3%,82.7%,99.7%。共热解对生物炭Cu(II)吸附性能具有明显的协同作用,污泥与桉树叶共热解炭对Cu(II)最大吸附量的协同量化值最高(90.13%)。

生物炭基光催化剂改性制备及其去除水中抗生素的研究进展

水体中抗生素会影响微生物群落结构和功能,导致生态失衡;同时,抗生素会通过食物链的富集和传递进一步污染水质,对生态环境和人类健康造成持续性危害.光催化技术因其高效且环保的特性成为众多抗生素去除技术中的重点研究对象.虽然半导体是光催化技术的核心材料之一,但其自身限制导致工作效率不高.生物炭(BC)作为碳家族成员之一有着众多优良特性,将生物炭与半导体复合制备的生物炭基光催化剂(BSPs)综合了两者的优越性能,有着广阔的应用前景.本文通过文献查阅,系统分析了BSPs的研究进展,涵盖BSPs的制备和改性方式,以及去除抗生素的原理和各种影响因素,并阐明其高导电性、高比表面积、强氧化性、稳定性和可回收性等特点,说明BSPs能够处理各种介质中存在的多种污染物.此外,对BSPs的局限性进行了分析,对未来研究方向提出了建议.

镁改性植物源生物炭的制备及其对磷酸盐的吸附特性

为处理含磷废水和实现农业废弃物的资源化利用,将小麦秸秆制成生物炭,通过MgCl_(2)溶液对其进行浸渍改性,探究改性生物炭对水中磷酸盐的吸附特性。结果表明:热解温度为600℃,0.1 mol/L MgCl_(2)溶液改性得到的小麦秸秆生物炭(WS-0.1Mg-600)在pH=7、初始磷酸盐浓度为10 mg/L时,对磷酸盐吸附效果最好;WS-Mg-600投加量为1.25 g/L时,对磷酸盐吸附量为(4.02±0.46)mg/g;WS-Mg-600吸附磷酸盐最佳pH为10。吸附过程符合拟二级动力学方程以及Langmuir模型,表明该吸附过程是以化学吸附为主,并为单层吸附。

农业废弃物基生物炭的应用效应研究进展

生物炭因结构和理化性质独特、原材料丰富及应用前景广阔等特点,在农业及环境污染治理等领域的应用较为广泛。基于相关文献,综述了农业废弃物基生物炭在改善土壤理化性质、提高土壤养分、改善土壤微生态环境、促进作物生长、修复污染土壤及缓解连作障碍等方面的效应,旨在为农业废弃物基生物炭在农业生产中的应用提供参考。

生物炭及其老化对农田NH_(3)挥发及N_(2)O排放的影响

生物炭具有减缓农田NH_(3)挥发和N_(2)O排放的重要潜力,但在施入环境后常常存在“老化”现象,这为其缓解全球变暖的长期有效性带来了不确定性。为了探明生物炭的长期效应,人工加速模拟了自然界中水分、温度、氧气、土壤矿物质及微生物多种老化因素,结合多元表征手段对比不同老化方式对生物炭性质的影响,利用主成分分析法建立新的生物炭性质综合指标来反映老化强度。再通过大田控制试验,采用原位通气法和静态箱-气相色谱法监测夏玉米生长周期内老化前后生物炭施用对农田NH_(3)挥发和N_(2)O排放的影响,为生物炭的可持续应用提供科学依据。结果表明,老化过程增加了原生物炭(BC)的氧含量、比表面积(SBET)、总孔容(Vt)及含氧官能团数量,降低了灰分、碱性、碳含量、平均孔径及其芳香性,各老化作用强度排序为:氧化老化生物炭(OBC)>矿化老化生物炭(KBC)>微生物老化生物炭(MBC)>干湿循环老化生物炭(WBC)>冻融循环老化生物炭(FBC)>BC。生物炭的添加减少了13.57%-29.50%的NH_(3)挥发量。与BC相比,OBC和KBC分别显著降低了14.71%和9.38%的NH_(3)挥发(P<0.05),MBC降低了3.38%的NH_(3)挥发(P>0.05)。相反,WBC和FBC分别增加了4.55%和2.72%的NH_(3)挥发(P>0.05)。同时,生物炭的添加降低了22.36%-40.43%的N_(2)O排放量。其中,BC减排效果最优,老化作用均削弱了原生物炭对N_(2)O的减排效应。与BC相比,OBC和KBC显著增加了30.34%和26.36%的N_(2)O排放量(P<0.05),MBC、FBC和WBC分别增加了19.96%、18.29%和10.92%的N_(2)O排放量(P>0.05)。综上,不同老化方式会对生物炭的理化性质造成不同改变,进而影响土壤气态氮释放。通过对比不同的老化方式,OBC影响最为显著,其次为KBC,MBC居中,WBC和FBC的影响最弱。

不同热解温度稻壳生物炭对羊粪堆肥腐熟度及温室气体排放的影响

为优化羊粪堆肥腐熟度与温室气体减排协同的技术工艺参数,以2种不同热解温度制备的稻壳生物炭为堆肥辅料,与羊粪、食用菌渣混合,进行了43 d的堆肥试验。设置了3个处理,羊粪与食用菌渣质量比9∶1混合体作为预备物料,在预备物料上分别添加450、650℃热解的稻壳生物炭(占预备物料质量百分比15%)为BC450、BC650处理,在预备物料上添加未热解炭化的稻壳(与稻壳生物炭同等体积)为CK处理。监测了堆肥温度、腐熟度指标(NH_(4)^(+)-N/NO_(3)^(-)-N、EC值、种子发芽指数)、温室气体(CH_(4)、CO_(2)、N_(2)O)排放的变化动态,分析了不同热解温度稻壳生物炭对堆肥腐熟度与温室气体减排的协同效果。结果表明:添加450、650℃热解的稻壳生物炭,缩短了堆肥体NH_(4)^(+)-N/NO_(3)^(-)-N、T值、EC值及种子发芽指数达到腐熟度推荐值的所需时间,与CK处理相比,BC450、BC650处理的腐熟周期分别缩短了15.0%、32.5%;羊粪堆置43 d后,BC450、BC650处理的综合温室效应较CK处理分别显著降低了6.56%、24.36%,且BC650处理综合温室效应比BC450处理显著降低了19.05%(P<0.05);添加稻壳生物炭对羊粪堆肥腐熟度及温室气体减排具有协同促进作用,建议优选650℃制备的稻壳生物炭。

化肥减量配施生物炭和秸秆对砂姜黑土区水稻产量、养分吸收和土壤碳的影响

为探讨砂姜黑土区养分资源高效管理和秸秆资源化利用方式,采用田间定位试验,连续2 a研究化肥减量配施生物炭和秸秆对该区域水稻产量、养分吸收和土壤碳的影响。试验设5个处理:①不施肥(CK);②常规施肥(100%NPK);③化肥减量20%(80%NPK);④化肥减量20%+秸秆(80%NPK+S);⑤化肥减量20%+生物炭(80%NPK+B),测定并分析水稻籽粒产量、地上部生物量、植株氮、磷、钾养分含量、土壤总有机碳(TOC)和微生物量碳(MBC)。结果显示,化肥减量20%配施生物炭或秸秆均有利于提高水稻产量和地上部生物量,且生物炭较秸秆的效果更为显著。化肥减量20%配施生物炭(80%NPK+B)处理的水稻产量和地上部生物量较100%NPK处理分别增加5.2%和4.7%,较80%NPK处理分别增加7.9%和7.2%;化肥减量20%配施秸秆(80%NPK+S)较100%NPK处理的水稻产量和地上部生物量分别增加3.4%和3.0%;80%NPK与100%NPK处理的籽粒和地上部生物量无显著差异;化肥减量20%配施生物炭显著提高了水稻地上部N、P_(2)O_(5)和K_(2)O养分累积量,较100%NPK处理分别提高了10.4%、7.2%和20.0%;化肥减量20%配施秸秆可显著提高氮、钾养分累积量,但却同时显著降低了磷素累积量;化肥减量20%配施生物炭或者秸秆,均有利于改善土壤总有机碳的累积,并且显著提高了土壤微生物量碳的含量,其中生物炭提高土壤总有机碳含量效果优于秸秆,而秸秆提高土壤微生物量碳含量效果优于生物炭。综合来看,在沿淮砂姜黑土区,化肥减量20%配施生物炭或者氮钾减量20%配施秸秆可增加或维持水稻产量,提高水稻对养分的吸收能力,利于固碳培肥。

生物炭富集-电感耦合等离子体质谱法测定海水中的痕量铅铜

海洋环境中的重金属污染备受关注,准确测定海水中的痕量重金属,对保护海洋环境和人类健康具有重要意义。海水样品的高盐和重金属痕量浓度等特点给仪器分析带来巨大挑战,直接准确测定高盐基质中的低含量重金属元素是非常困难的,须经前处理去除海水中的大量盐分,并对待测元素进行富集,从而消除基体干扰,降低检出限。为实现海水中的痕量铅和铜的绿色分离与快速检测,本文采用吸附脱附的方式,将海水中铅和铜富集在椰壳生物炭上,再用超纯水反复冲洗生物炭,除去盐分基质,经硝酸溶解脱附,脱附液用0.45μm滤膜过滤后利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定,建立了生物炭富集ICP-MS测定海水中铅和铜含量的方法。两种金属元素在0.10~100μg/L范围内线性关系良好,线性相关系数均大于0.9995。海水中铅和铜,方法检出限分别为0.005μg/L和0.006μg/L,测定下限分别为0.020μg/L和0.024μg/L,满足《海水、海洋沉积物和海洋生物质量评价技术规范》(HJ 1300—2023)规定的海水质量评价要求。海水样品加标回收率在96.1%~102.3%范围内,相对标准偏差小于5%。本方法操作简便、分析成本低、绿色环保,更适合于基层海洋监测应用,也可用于高矿化度基体样品的水质监测。

不同类型纳米生物炭特征及对土壤镉污染修复效果的影响

【目的】生物炭在重金属污染土壤上有一定修复效果,然而未改性生物炭的修复潜力往往较低,生物炭改性可有效提高生物炭表面官能团的种类和数量,增加与重金属相互作用的位点数量,进而提高重金属的修复效率。【方法】对木炭、竹炭、秸秆炭3种类型生物炭进行纳米改性并用扫描电镜、傅里叶变换红外进行表征,采用培养试验,设置不添加生物炭对照、3种不同类型生物炭处理、3种纳米改性生物炭处理共7个处理。【结果】(1)不同类型生物炭纳米改性后表现出孔隙增多、孔径增大、粒径减小,丰富了官能团结构,使含氧官能团强度增加;(2)纳米生物炭可以提高土壤pH、有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(EOC)、颗粒有机碳(POC)含量,其中纳米竹炭相较于未改性竹炭处理SOC提高了20.77%,纳米秸秆炭对土壤DOC、LOC、POC提升效果最好,相较于未改性秸秆炭分别提高了17.05、10.88%、63.36%;添加生物炭也增加了土壤蔗糖酶和纤维素酶活性。(3)添加生物炭使土壤重金属镉有效性降低,改性后增强了对土壤有效态镉的转化,促使可交换态镉和可还原态镉向可氧化态镉和残渣态镉转化迁移,其有效性与土壤pH和有机碳相关。【结论】生物炭纳米改性后其含氧官能团增加,在提高土壤有机碳及降解重金属镉有效性上具有很大潜力,且不同类型纳米生物炭对土壤有机碳及镉形态的影响不同,纳米秸秆炭效果最佳。