生物炭负载硫化纳米零价铁在修复土壤镉中的应用研究

Cd作为重金属污染物,具有高毒性、难去除的特点,对生态安全以及人类健康造成了极大威胁。本文以BC为载体负载硫化纳米零价铁(S-nZVI)制备了BC负载硫化纳米零价铁(BC/S-nZVI),用于Cd的修复。BC/S-nZVI对Cd修复期间,DTPA提取Cd的固化效率为82%,TCLP对Cd的固定效率为63.36%,说明BC/S-nZVI具有更好的固定化潜力,能够有效降低土壤中Cd的有效性,并减少Cd的溶解和环境风险。

β-环糊精壳聚糖改性生物炭固化稳定化土壤中镉和铬

镉(Cd)和铬(Cr)是在土壤中普遍存在的重金属污染物,固化稳定化作为一种处理土壤中金属污染的方法,具有快速、经济、有效等特点.该试验以稻壳生物炭(BC)为原材料,利用β-环糊精壳聚糖(β-CC)对其进行改性,制备得到一种环保廉价且能有效固化稳定化土壤中重金属离子的有机复合吸附材料β-环糊精壳聚糖生物炭(β-CC BC),其与硅酸盐水泥复配后可以固化稳定化土壤中的Cd、Cr.利用控制单因素变量对改性生物炭的处理效果进行探究,结果表明:(1)以β-CC BC添加量为变量时,添加量为10 g/(0.1 kg)左右时,Cr浸出浓度最低,为1.92 mg/L,添加量为12.5 g/(0.1 kg)时,Cd的浸出浓度最低,为0.61 mg/L;以养护时间为变量时,养护时间为28 d时,Cr浸出浓度最低,为2.13 mg/L,养护时间为21 d时,Cd浸出浓度最低,为0.55 mg/L.(2)通过对5种材料进行浸出试验,并对处理后土壤中Cd、Cr的浸出浓度进行测定,发现与磷酸钾(K3PO4)、碳酸钙(CaCO3)、硅酸钠(Na2O·nSiO2)和硫酸钠(Na2SO4)4种材料相比,β-CC BC对Cr和Cd同时具有良好的处理效果.研究显示,β-CC BC对土壤中Cd和Cr具有较强的吸附性能,能够同时对土壤中的Cd和Cr进行有效的处理,在同步处理土壤污染物方面具有良好的应用价值和可行性.制备复合材料的原料相对廉价易得,但制备过程相对繁琐,在大型污染场地处理中可能存在一定难度.

新型生物炭材料对TNT生产废水去除性能

合成了新型含持久性自由基(PFRs)的生物炭(BC_(PFRs))及其复合材料nZVI/BC_(PFRs),考察了BC_(PFRs)在添加氧化剂(BC_(PFRs)/Fe^(^(2+))/H_(2)O_(2)和BC_(PFRs)/Fe^(3+)/H_(2)O_(2))和不添加氧化剂(nZVI/BC_(PFRs))条件下对TNT生产废水的去除性能.结果表明nZVI/BC_(PFRs)的去除效果最显著,对总有机碳(TOC)的去除率为58%,对总氮(TN)的去除率为78%,Fe^(2+)/H_(2)O_(2)的矿化能力和Fe^(3+)/H_(2)O_(2)的脱氮能力在BC_(PFRs)的诱导下分别提高了8.4%和17.4%.对处理前后的废水进行毒性分析,结果表明nZVI/BC_(PFRs)处理后的出水毒性最小.GC-MS和LC-MS对废水组分的检测结果表明,处理后出水中硝基芳烃化合物的种类大大减少,nZVI/BC_(PFRs)体系对TNT生产废水的去除率最高,表明nZVI/BC_(PFRs)复合材料在难降解污染物的去除领域具有很好的应用前景.

亲水铁碳缓释材料制备及其强化地下水生物还原脱氯效果

通过二步球磨法制备了以木质素磺酸钠(SL)为表面修饰剂的纳米零价铁(nZVI)-聚乳酸(PLA)-生物炭(BC)复合材料,表征了其亲水和缓释碳的特性,明确了其强化地下水中氯代烃(CHCs)生物还原脱氯的效果和最佳组分配比.结果表明:所制备的铁碳材料具有良好的亲水性和缓释碳性,72h后材料释碳量趋于稳定.材料能够有效协同异化铁还原菌脱氯降解1,1,1-三氯乙烷(1,1,1-TCA)168h内体系中污染物去除率最高达到85.00%,最大降解速率为6.74mg·L^(-1)·h^(-1),且降解效果随nZVI和PLA含量的增加而提高.综合考虑释碳性能、降解效果和制备成本,得到BC,PLA和nZVI的最佳质量配比为3:1:1.该铁碳复合材料去除1,1,1-TCA的主要途径为零价铁(ZVI)介导的快速化学还原脱氯和异化铁还原菌介导的长期生物还原脱氯.本研究成果有望为CHCs污染地下水修复提供创新技术支持.

ZIF-8/BC协同膨胀阻燃聚丙烯性能研究

为提高聚丙烯(PP)阻燃性能,以三聚氰胺磷酸盐为酸源兼气源、双季戊四醇为碳源构成膨胀阻燃体系,添加不同比例的类沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)与生物质炭(BC)制备的杂化材料(ZIF-8/BC)为协效剂,制备无卤膨胀阻燃PP复合材料,研究材料的燃烧性能、力学性能和热稳定性等。结果表明:所构成的膨胀阻燃体系能有效提高PP的阻燃性能,未添加ZIF-8/BC时氧指数可达31. 4%,拉伸强度为17. 37 MPa; ZIF-8/BC的加入使复合材料氧指数有所降低,但能提高复合材料的力学性能,添加ZIF-8∶BC质量比为1∶2的ZIF-8/BC,材料氧指数、拉伸强度分别为27. 2%、19. 87MPa; ZIF-8/BC的添加能提高复合材料的残炭量,且该量随BC含量增加而增大,ZIF-8/BC协效剂有利于形成致密炭层结构和抑制烟气释放。

污泥生物炭硼掺杂改性及其对水中1,2-二氯乙烷吸附行为和机制

以市政污泥为前驱体,采用硼酸掺杂改性共热解法,制备了污泥生物炭(BC600)和B掺杂污泥生物炭(BBC600),采用SEM、BET、FTIR、Zeta电位和静态接触角等手段对材料进行了结构表征,研究了BC600和BBC600对水中1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)的吸附行为、机制和影响因素.结构表征结果表明,B掺杂改性后,生物炭中B元素含量、比表面积和孔容分别提高了76%、48%和30%;B掺杂改性对生物炭表面电荷及亲疏水性影响不大,BC600和BBC600表面均带有负电荷,接触角均<90°,两者均具有较好的亲水性.吸附实验结果表明,BBC600对1,2-DCA的吸附性能优于BC600,缘于BBC600更大的比表面积和强度更高的含氧官能团;准一级动力学方程可以较好描述BC600吸附1,2-DCA过程,准二级动力学方程能较好拟合BBC600吸附1,2-DCA过程,颗粒内扩散不是影响吸附速率的唯一限速步骤;碱性条件下生物炭材料更加分散和稳定,且其含氧官能团去质子化,供电子能力增强,有利于对1,2-DCA的吸附;腐殖酸(HA)对BC600吸附1,2-DCA呈现低浓度促进,高浓度抑制的作用,而低浓度和高浓度的HA对BBC600吸附1,2-DCA均呈抑制作用,HA会与1,2-DCA发生竞争吸附;Cl^(-)、SO_(4)^(2-)和NO_(3)^(-)均对生物炭吸附1,2-DCA具有抑制作用,抑制程度由小到大为:Cl^(-)<SO_(4)^(2-)<NO_(3)^(-).生物炭吸附1,2-DCA主要机制为孔隙填充和π-π作用.

生物炭负载纳米零价铁活化过一硫酸盐降解诺氟沙星

诺氟沙星(Norfloxacin,NOR)是一种含有C—F键的难降解抗生素,具有强持久性和较高毒性,传统的处理方法难以有效去除NOR.基于过硫酸盐的高级氧化技术具有较高的选择性、适应性、去除效率等优点,已被广泛研究用于有机污染物的去除.本研究以螺旋藻为原材料热解得到的生物炭(Biochar,BC)为基底,选取具有高还原能力的纳米零价铁(Nano zero-valent iron,nZVI)作为其可能的活性中心,将nZVI负载至BC表面制备了生物炭负载纳米零价铁(nZVI-BC),以综合发挥碳载体与铁活性中心的作用高效催化过硫酸盐降解有机污染,并通过研究nZVI-BC的结构特征和对NOR的去除效率,探究其对过一硫酸盐(Peroxymonosulfate,PMS)的活化效能及机理.结果表明,nZVI-BC活化PMS降解NOR具有优异的催化性能,其降解效率随着材料碳铁负载质量比(C/Fe)的减少而升高,在最佳反应条件下,当C/Fe=1:1时,120 min内nZVI-BC/PMS对NOR的去除率可达到98.8%.降解过程符合拟一级动力学,nZVI-BC/PMS体系在2 min内的降解速率可达(0.69±0.09)min-1,分别是nZVI和BC800催化PMS体系的2.55倍和6.27倍,且弱酸条件(pH=4.00)及温度升高(T=45℃)更利于nZVI-BC催化PMS降解NOR.nZVI-BC/PMS降解NOR是以·OH、·SO_(4)^(-)和参与的自由基途径及以^(1)O_(2)主导作用的非自由基途径的协同效果,贡献作用为^(1)O_(2)>·SO_(4)^(-)>·OH>·O_(2)^(-),其中,^(1)O_(2)在整个反应路径中起至关重要的作用,贡献率达38.46%.据降解产物分析,得知NOR在nZVI-BC/PMS体系中的降解主要是通过脱氟和哌嗪环的开环裂解,最终转化为短链酸、CO_(2)和H_(2)O.本研究为实现NOR在水体中的高效去除提供了一种实际可用、高效环保的方法,同时为阻控新型污染物和抗生素耐药污染提供了新策略.

锰铝双氧化物改性生物炭减缓土壤重金属对黑麦草的毒性作用

电子垃圾拆解过程中引起的土壤重金属铜(Cu)和镉(Cd)复合污染现象成为一个严峻的问题,为了解决这一问题,利用废弃的螃蟹壳生物质与锰铝盐进行共沉淀后共热解制备了螃蟹壳生物炭(BC)和片状锰铝双氧化物改性的螃蟹壳生物炭(LDO/BC)材料.污染土壤经过BC和LDO/BC修复后,土壤pH、有效磷、速效钾和酶活性得到了提升,土壤中的DTPA-Cu和DTPA-Cd含量显著降低.微生物群落分析表明BC-1%能促进Gemmatimonadota(芽单胞菌)和Acidobacteriota(酸杆菌)相对丰度的上升,而LDO/BC-1%能促进Proteobacteria(变形菌)相对丰度的上升,且变形菌有利于减少Cd在植物中的积累作用.在修复后的土壤中种植黑麦草培养28 d,结果表明,经过投加量为5%BC和1%LDO/BC分别修复后土壤种植的黑麦草发芽率分别提高29%和60%,生长状况更佳,并且黑麦草植株内Cu和Cd的含量相对于未经生物炭材料处理的空白组显著降低.LDO/BC-1%处理组相对于其他处理组表现出更优异的修复效果,且负载在LDO/BC上的Mn可以有效地降低黑麦草吸收土壤中的重金属Cd.

热解温度和时间对香蒲生物炭性质的影响及生态风险评估

以典型湿地挺水植物香蒲(Typha angustifolia)为原料,采用慢速限氧热解法在200~500℃下分别热解2 h和6 h制备香蒲生物炭(TBCs),探究热解温度和热解时间对TBCs基本性质的影响,同时以微生物大肠杆菌HB101(E.coli HB101)和农作物油葵(Helianthus annuus)种子为受试生物,初步评估了其生态风险.结果表明,热解时间2 h和6 h对TBCs的性质无明显影响,而热解温度显著影响TBCs的性质.随热解温度的升高,TBCs产率降低;碳(C)和灰分含量增加,氢(H)和氧(O)含量逐渐降低;pH显著增加;表面孔隙结构增加;含氧官能团减少,芳香化程度增加;养分元素总磷(TP)和钾(K)含量显著增加.TBCs中溶解性有机质(DOM)的主要组分为腐殖酸类物质和富里酸类物质,随热解温度升高,腐殖酸类物质含量降低,富里酸类物质含量升高.所有TBCs对E.coli HB101生长和油葵种子萌发无显著影响,表明实验条件下TBCs无潜在生态风险.本研究为湿地废弃生物质资源化利用提供了一种新途径,同时也为筛选适用于贫瘠土壤改良的BC改良剂提供了重要的理论依据.

针铁矿改性生物炭对砷吸附性能

为了提高生物炭(BC)对砷的吸附能力,本研究选取小麦秸秆作为原料,采用共沉淀方法制备了针铁矿(Goethite)改性生物炭材料(Goethite@BC).比较了BC、Goethite和Goethite@BC对As(Ⅲ)的吸附特性,同时使用SEM-EDS、BET、FT-IR、XRD和XPS等技术对改性吸附剂的理化性质和吸附机制进行表征.结果表明,扫描电子显微镜分析显示有纳米级针铁矿附着在生物炭表面,可有效提高生物炭的比表面积和总孔容; 3种吸附剂对As(Ⅲ)的吸附符合伪二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,Goethite@BC对As(Ⅲ)的最大吸附量为65. 20 mg·g^(-1),与BC相比吸附量提高了62. 10倍. Goethite@BC吸附机制包括非特异性吸附(静电引力)和特异性吸附(配位、络合、离子交换等),纳米针铁矿颗粒在Goethite@BC表面对污染物的吸附起到重要作用. Goethite@BC在污染物修复领域具有很好地应用前景.

碱和磁复合改性小麦秸秆生物炭对水体中镉的吸附特性及机制

通过对小麦秸秆生物炭(BC)进行碱和磁复合改性得到改性小麦秸秆生物炭(FKC),在SEM-EDS、 BET、 FT-IR、 XRD和VSM等表征的基础上,研究了FKC对水中Cd2+的吸附特性及温度、pH值和投加量等对吸附特性的影响,探讨了碱和磁复合改性提高小麦秸秆生物炭吸附Cd2+性能的机制.结果表明,与BC相比,KFC结构疏松多孔,表面积增加了19.11倍,O—H、C=O、C=C等芳香族和含氧官能团数量增多,并且出现新的官能团Fe—O. FKC具有磁性,其磁化强度为8.43 emu·g-1,能够回收重复使用. FKC对Cd2+的吸附更符合准二级动力学和Langmuir等温吸附模型,表明其主要以化学吸附为主,FKC的理论最大平衡吸附量为23.44mg·g-1,是BC的1.47倍. FKC对Cd2+的吸附是自发的吸热过程.在pH为2~8范围内,随pH的升高FKC的吸附能力逐渐提高.生物炭的投加量为10 g·L-1较好.经3次"吸附-解吸-再吸附"循环后,FKC对Cd2+的吸附量仍达到17.71mg·g-1,表明其有良好的重复利用性.该研究结果可为碱和磁复合改性小麦秸杆生物炭应用于Cd污染废水处理提供理论指导.

施用生物炭对塿土土壤微生物代谢养分限制和碳利用效率的影响

土壤微生物代谢对土壤养分循环和生态系统的稳定至关重要.为明确施加生物炭对土壤微生物代谢养分限制和碳利用效率(carbon use efficiency, CUE)的长效影响机制,于2012年将果树树干、枝条生物炭(450℃、限氧条件下裂解)以不同用量(0、 20、 40、 60和80 t·hm^-2)施入塿土,与耕层土壤(0~20cm)混匀,小麦玉米轮作7 a后,通过生态酶化学计量学对土壤微生物代谢养分限制特征进行了定量分析和比较.结果表明:①随生物炭施用量的增加,土壤含水量、有机碳、全氮、碳氮比、碳磷比和氮磷比显著提高,碳氮磷活性组分、微生物生物量碳氮磷和总磷未表现出明显的规律性,而5种胞外酶活性(β-1,4-葡萄糖苷酶、纤维素酶、亮氨酸氨基多肽酶、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和磷酸酶)显著降低.②所有处理土壤微生物均受磷限制;在施加生物炭各处理中,随施用量的增加微生物代谢碳和磷限制显著提高,微生物CUE显著降低;当生物炭施用量为20 t·hm-2时,碳限制(0.625±0.022)和磷限制(62.153°±0.892°)最低,微生物CUE(0.511±0.007)最高.③偏最小二乘路径建模分析表明,土壤碳氮磷及其元素化学计量比对磷限制产生了直接的极显著正效应(P<0.01),碳限制与磷限制呈正相关关系(R2=0.242,P<0.001),而碳磷限制又对CUE产生了极显著的负效应(P<0.001).综上,过量施用生物炭使土壤元素化学计量失衡是导致土壤微生物代谢磷限制加剧的重要因素,继而诱导了微生物碳限制的增强和CUE的降低.当生物炭施加量为20 t·hm^-2时,微生物代谢所受碳磷限制最低,且具有最高的微生物CUE,对于调节土壤微生物代谢、维持生态功能和减少微生物二氧化碳排放最优.

生物质炭对磷镉富集土壤中两种元素生物有效性及作物镉积累的影响

以磷镉富集土壤(总Cd 0.94mg·kg^-1、全磷0.86g·kg^-1)和低镉积累基因型红菜薹金秋红三号为供试材料,采用盆栽试验的方法,设置了绝对对照CK0(仅施NK无机肥)、相对对照CKp(施NPK无机肥)、生物质炭BC(BC+NK无机肥)和BC-CKp(BC+NPK)这4个处理,考察了土壤磷素和重金属Cd的生物有效性、植株可食部位生物量及其Cd累积特征和土壤基本性状等指标.结果表明,至作物收获时,添加生物质炭的BC和BC-CKp处理与未添加生物质炭的CK0和CKp处理相比,土壤有效Cd含量分别降低了8.23%和5.68%;同时土壤有效磷含量提高了11.60~16.26mg·kg^-1.施加外源磷肥的CKp和BC-CKp处理土壤有效Cd含量与未施加磷肥的CK0和BC处理相比分别降低了31.43%和33.29%.除CK0处理外,其它3个处理(CKp、BC及BC-CKp)的红菜薹作物可食部位Cd含量均未超出我国食品安全国家标准(GB 2762-2017)中Cd的限定值0.1mg·kg^-1.结果表明,将生物质炭输入到磷素富集的中、轻度Cd污染土壤中,能够同时实现土壤中重金属Cd钝化和磷素活化的双重功能;且在不额外使用磷素化肥的条件下,种植弱吸收低积累Cd的蔬菜作物基因型,既可以保证可食部位生物量增加,也可以使其可食部位重金属Cd含量满足食品安全国家标准.

生物质炭影响下土壤呼吸温度敏感性及细菌群落结构的变化

为探究生物质炭对土壤呼吸及微生物群落结构的影响,在不同生物质炭用量及不同温度条件下进行室内土壤培养试验,分析土壤CO2释放规律、不同有机碳组分的变化以及土壤细菌群落结构特征.结果表明:(1)生物质炭处理对各温度条件下的土壤呼吸均表现为前期激发和后期抑制的效应,且在培养14 d之后,生物质炭处理显著降低了土壤呼吸温度敏感性Q10值.(2)就土壤有机碳而言,未添加生物质炭的CK处理土壤惰性有机碳含量的下降幅度随温度升高而增大,对温度变化较敏感,但生物质炭的输入显著降低了土壤惰性有机碳的温度敏感性,使各温度条件下土壤惰性有机碳的降幅收窄,且降幅并未随温度的升高而增大.(3)16S rDNA高通量测序结果显示,至培养末期,CK处理土壤中马赛菌属(Massilia)的相对丰度随温度升高而降低,且生物质炭的输入显著提高了马赛菌属的温度敏感性,使其相对丰度随温度升高降幅增大.与马赛菌属相反,CK处理土壤中嗜盐囊菌属(Haliangium)的相对丰度随温度的升高显著增加,生物质炭的输入降低了其温度敏感性,使温度梯度间相对丰度差异不显著.本研究表明,生物质炭的输入可显著降低土壤呼吸温度敏感性,这与土壤惰性有机碳温度敏感性的降低及马赛菌属和嗜盐囊菌属相对丰度的改变有关.

基于复合抗菌材料制备与性能综合实验教学设计

结合制药工程专业实践教学要求和学科前沿方向,该文设计了“复合抗菌材料制备与性能”综合实验。分别以生物炭(BC)和聚丙烯腈(PAN)为载体,以复合季鏻盐为抗菌药物,制备了2种复合抗菌材料,利用平板法测定了它们对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。该实验项目包括复合季鏻盐、生物炭和纤维薄膜材料的制备与结构的表征,吸附性能和抗菌性能测试等内容,涉及高压静电纺丝仪、紫外-可见光谱仪、红外光谱仪、电喷雾质谱仪和X-粉末衍射仪等应用,有利于激发学生学习和研究兴趣,提高学生的综合实验技能和解决实际问题的能力。

调理剂对磷镉富集土壤中两种元素交互作用的影响

以磷镉富集的农业土壤(总Cd:0.94 mg·kg^(-1)和全P:0.86 g·kg^(-1))为研究对象,按照湖北地区中稻生育期及至下茬作物播种期的时长进行室内培养试验,探究生物质炭(BC)、钙镁磷肥(CMP)和粉煤灰(FA)影响下土壤磷与镉的生物有效性、二者形态变化及其耦合作用效应.结果表明:(1)培养至140d时,添加调理剂处理土壤有效磷含量与未添加调理剂的对照土壤相比均显著增加,有效磷水平可达22.47~37.81 mg·kg^(-1),在不额外施用磷肥条件下可满足水稻最适生长需求,且添加BC处理的效果最佳.(2)供试土壤中的磷主要为无机正磷酸盐,且不同形态无机磷含量在调理剂作用下均有所提高,并随着时间土壤中固定态的O-P和Ca_(10)-P逐渐向活性较高的Ca_(2)-P、Ca_(8)-P、Al-P和Fe-P形态转变.(3)添加调理剂处理土壤有效态Cd含量在对照处理基础上显著降低8.74%~17.48%,这与3种调理剂对土壤p H的提高作用相关联.与此同时,添加调理剂的处理与对照相比,可交换态Cd显著降低,碳酸盐结合态Cd和残渣态Cd均有所提高,这与土壤有机质在BC的促进效应下,其表面富含的活性基团能够与Cd^(2+)吸附螯合有关.结果初步证明,3种调理剂均能实现供试磷镉富集土壤中磷活化和镉钝化的双重功能,并以生物质炭和钙镁磷肥效果为佳,其效果可覆盖整个水稻生长时段并可延续至其下茬作物播种期.

钝化与叶面阻控对不同基因型红菜苔镉累积的影响

为探索中轻度重金属镉(Cd)污染农田安全利用技术,实现农产品安全生产,以两种不同镉累积基因型红菜苔为供试作物,采用盆栽试验的方法,分别于两种作物上设置相同的6个处理:对照(CK)、添加3%(质量分数)生物质炭(BC)、添加0.17%钙镁磷肥(CMP)、叶面喷施3 mg·L-1 Na2SeO3的水溶液(Se)、BC+Se和CMP+Se,研究不同处理土壤镉有效性变化及植株不同部位镉累积特征.结果表明:①相同处理下,低镉累积基因型金秋红三号红菜苔根部土壤有效态镉含量均显著低于高镉累积基因型十月红.BC和CMP两种钝化剂对金秋红三号根部土壤中的镉钝化效果显著,且BC效果更佳,钝化处理的效果显著优于叶面阻控.②金秋红三号红菜苔根系较十月红对镉有更强的富集能力,其富集的镉倾向于囤积在根部.叶面施硒与两种钝化剂对抑制镉向红菜苔可食部位转移富集无协同效果.③在BC和CMP钝化处理下,金秋红三号红菜苔可食部位镉含量低于GB 2762-2017中镉限量值(0.10mg·kg-1).本研究表明,针对中轻度镉污染农田土壤,通过施加生物质炭、钙镁磷肥等绿色钝化剂,种植弱吸收低积累作物品种,可以实现受镉污染农田的安全利用和农产品的安全生产.