牛粪生物炭的制备与改性及其应用的研究进展

牛粪生物炭具有高比表面积、孔隙度和极性/非极性表面位点等特性,其独特的物理化学性质、低成本和环境友好等优点,有利于吸附/固定水体和土壤中的污染物,固持堆肥养分并减少有害气体的排放,促进有利微生物群落生长,因此被广泛应用于环境修复和农业生产等领域。牛粪生物炭的制备工艺以及改性方法决定其物理化学性质,进而影响牛粪生物炭再废水处理、土壤修复及改善、有机堆肥中的应用。目前,牛粪生物炭对土壤重金属污染、有机污染的修复研究已取得显著效果,牛粪生物炭在土壤改良、废水污染治理方面具有良好的应用前景,但也存在一些问题和挑战需要解决。

牛粪生物炭对沥青加热释放的VOCs的吸附性能

以牛粪为原料制备吸附剂,考察牛粪生物炭的制备温度、添加量、吸附时间、沥青加热温度对加热沥青释放的VOCs吸附效果的影响,并对其吸附特性进行了分析。结果表明:牛粪生物炭制备温度为600℃、生物炭投加量为10 g、沥青加热温度达到160℃、吸附时间为20 min时,牛粪生物炭对沥青加热释放的VOCs的吸附效果最佳,去除率最高,为88.69%。对牛粪生物炭吸附沥青加热释放的VOCs的过程进行热力学分析,朗格缪尔方程更加符合其吸附特征,吸附过程以单分子吸附为主;对牛粪生物炭吸附沥青加热释放的VOCs的过程进行动力学分析,准二级动力学方程更加符合其吸附特征,推测发生了化学吸附。

炭基微生物菌剂促进牛粪好氧堆肥腐熟过程研究

为评估炭基微生物菌剂促进牛粪好氧堆肥的腐熟效果,以牛粪为原料加入自制炭基微生物菌剂进行为期34 d的堆肥试验,并以纯牛粪为空白对照,研究堆肥过程中理化指标和微生物群落的变化。结果表明,添加炭基微生物菌剂后,1 d内可使堆温达到53℃,堆体最高温度为71.7℃,较对照组最高温度高出4.6℃,且高温期延长3 d。至堆肥结束时,处理组和对照组的含水率、E4/E6,GI分别为29%和33%,1.5和1.9,145.5%和127.6%。通过相关性分析得出,累计温度、含水率、pH值等理化指标相关性数值增大为67%,与细菌门水平间相关性数值增加了56%。添加0.1%(w/w)的炭基微生物菌剂可加快腐熟过程,提高微生物多样性,加快微生物群落的演替和对物料的分解代谢,促进腐熟进程,为炭基微生物菌剂在好氧堆肥中的应用提供了理论依据。

牛粪和生物炭对苹果根系生长、土壤特性和氮素利用的影响

以两年生红富士/平邑甜茶苹果为试材,采用15N同位素示踪技术,研究牛粪与生物炭不同配比对苹果根系生长、土壤特性和氮素吸收利用的影响,为苹果生产中合理施肥及可持续发展提供依据。试验共设6个处理:对照(CK)、100%牛粪(T1)、75%牛粪+25%生物炭(T2)、50%牛粪+50%生物炭(T3)、25%牛粪+75%生物炭(T4)和100%生物炭(T5)。结果表明,牛粪和生物炭混施可显著改善土壤理化性状,增加土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量,降低土壤容重。苹果根际土壤中的微生物均以细菌占绝对优势,放线菌次之,真菌含量最少;添加牛粪和生物炭均显著提高了根际土壤的细菌、放线菌和真菌数量,其中T2处理细菌、放线菌和真菌数量均达到最高。牛粪和生物炭混施还可促进苹果根系生长,根尖数、根表面积和根系活力等指标均在T2处理达到最高,分别较对照提高47.90%、33.47%、44.67%。表明T2处理可显著促进苹果根系的生长和根系活力的提高。与对照相比,牛粪和生物炭混合处理显著提高了苹果各器官的Ndff值、全氮量和15N吸收量,提高了15N利用率和15N残留率,降低了15N损失率。各处理15N利用率和15N残留率趋势为牛粪和生物炭混合处理最高,单施牛粪或生物炭处理次之,对照最低; 15N损失率呈相反的变化趋势。其中以T2处理效果最好,15N利用率和15N残留率最高, 15N损失率最低, 15N利用率较对照提高5.51%, 15N损失率较对照降低14.52%。综合分析认为, 75%牛粪+25%生物炭处理(T2)对苹果根系生长、土壤特性和氮素吸收利用的效果最好。

基施富硒有机肥料对玉米和土壤硒含量的影响

采用土培盆栽试验研究了贫硒土壤中添加富硒奶牛粪和富硒水稻秸秆生物炭2种不同富硒有机肥对玉米硒含量及贫硒土壤硒含量的影响。研究结果表明:添加富硒奶牛粪处理中的玉米对硒的吸收富集效果优于添加富硒水稻秸秆生物炭的处理,且植株根部吸收硒后更易于转运到地上部,硒在其体内的迁移率高。从2种有机肥的添加量来看,基施25 t·hm^(-2)富硒奶牛粪以及40 t·hm^(-2)富硒水稻秸秆生物炭对玉米生长有更好的促进作用,玉米植株内的硒含量及生长状况均优于其他处理。与此同时,富硒奶牛粪和富硒水稻秸秆的添加均能显著提高土壤中全硒的含量,且均随着富硒有机肥施用量的增加而增加,与富硒有机肥施用量呈显著正相关。

磷基改性秸秆-牛粪生物炭优化制备

探究了磷基改性生物炭的最佳制备条件及其对铅的吸附机理。以玉米秸秆和牛粪为原料、磷酸二氢钾(KH_(2)PO_(4))为改性剂制备生物炭,采用响应面模型研究热解温度、原料与改性剂溶液的固液比和原料质量比对铅吸附量的影响,确定最佳制备条件。并利用SEM、BET、FTIR等手段对材料进行表征,揭示生物炭形貌与结构的变化。结果表明,该生物炭最佳制备条件为热解温度481.1℃,改性固液比1∶10,秸秆质量占牛粪的20%,生物炭最大铅吸附量为363.54 mg/g,与实验值(368.28 mg/g)基本相符,表明模型预测结果可靠。优化后的生物炭表面负载含磷基团,比未改性生物炭(81.93 mg/g)提高349.5%,对铅的吸附性能大幅提高。该研究对水中重金属去除、农业废弃物利用以及实现“双碳”目标提供了一定参考。

牛粪生物炭对废水中Cu(Ⅱ)的吸附效果及机理研究

为了有效去除废水中Cu^(2+),以牛粪为原料,制取生物炭,采用等温吸附法及动力学吸附法研究生物炭对废水中的Cu^(2+)的吸附效果,并通过XRD、FTIR、BET与元素分析等进行表征。结果表明:热解温度、时间、pH是影响生物炭产率及吸附量的因素。700℃制备的牛粪生物炭(CDB700[2h])对废水中的Cu^(2+)吸附量是最高,达到了0.623 mg·g^(-1),去除率达到了99.7%。说明,CDB700[2h]具有作为废水中Cu^(2+)吸附材质的潜力,本研究为生物炭去除废水中重金属污染的修复提供了理论依据与应用参考。

生物炭对玉米秸秆堆肥酶活性的影响

为研究生物炭对玉米秸秆堆肥中酶活性的影响,试验选用3%蔗渣生物质炭(B)、3%小麦秸秆炭(W)、10%滤泥(L)、10%牛粪(N)及它们的不同组合为调理剂进行玉米秸秆堆肥处理。分别在堆后20 d、60 d和110 d测定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和转化酶活性。在堆肥前期,BLN处理中性磷酸酶活性较B处理提高了40.72%~44.29%,WLN处理较W处理提高了7.76%~17.15%;堆肥结束时,BL、BN和BLN脲酶活性较B处理分别降低67.23%、51.81%和47.94%,WL、WN和WLN较W处理降低7.14%~48.21%。与B相比,BL、BN和BLN转化酶活性提高34.18%、100.38%和47.43%;与W相比,WL、WN和WLN转化酶活性提高了8.89%~22.35%。因此,添加B和W可使堆肥脲酶活性增加,添加BLN和WLN使得堆肥中性磷酸酶和转化酶活性均升高,表明生物炭是提高堆肥酶活性的适宜调理剂。

多种有机物料混施对苹果幼苗生长、氮素利用及土壤特性的影响

以"M9T337"苹果幼苗为试材,利用~(15)N同位素示踪技术,研究了等氮量投入下,不同有机物料单施及混施对苹果幼苗生长、~(15)N吸收利用及土壤特性的影响。试验设置CK(只施用化学肥料,不施有机物料)、S(秸秆)、B(生物炭)、F(牛粪)、SB(1/2秸秆+1/2生物炭)、SF(1/2秸秆+1/2牛粪)、FB(1/2牛粪+1/2生物炭)、SFB(1/3秸秆+1/3牛粪+1/3生物炭)8个处理。结果表明:施用有机物料可以促进苹果幼苗的生长,其中SFB处理植株鲜重、株高、茎粗、叶面积、根系活力达到最优,显著高于CK和单施有机物料的处理。添加有机物料能降低土壤容重、增加孔隙度、提高土壤含水量,其中施用生物炭的处理土壤容重降幅较大、孔隙度较高。处理期间,有机物料混合施用的处理土壤矿化氮含量、土壤酶活性及微生物数量均优于有机物料单独施用的处理。与CK和单施有机物料的处理相比,有机物料混合施用显著提高了苹果幼苗~(15)N利用率和土壤~(15)N残留率,降低了~(15)N损失率,其中3种有机物料混施效果最好。综合分析可知,有机物料能促进苹果幼苗生长,改良土壤性质,促进植株对~(15)N的吸收利用,其中牛粪、秸秆和生物炭混合施用的处理(SFB处理)效果最佳。研究结果以期为有机物料在苹果园土壤质量提升和化肥减施增效中的应用提供依据。

电子废弃物处理场地重金属污染土壤的钝化修复及其机理初析

基于对某电子废弃物处理场地周边土壤进行采样分析,发现土壤中重金属的污染主要以As、Cd、Pb为主。针对电子废弃物处理企业场地土壤重金属污染问题,采用牛粪生物炭、菌液以及两者混合物等不同钝化剂修复。As、Cd、Pb污染土壤的实验结果表明:不同钝化剂处理后,3种重金属的毒性淋溶(TCLP)提取态均有明显的下降,而且变化趋势基本一致,牛粪生物炭和菌液混合物的修复效果最显著,土壤中有效态(TCLP提取态)As、Cd、Pb分别降低67.8%、64.7%、34.6%。通过XRD、SEM对修复机理进行初步解析表明:钝化剂中含有的多种官能团以及牛粪生物炭的微孔结构、微生物代谢产物中的大分子基团、二价硫离子、磷酸根离子等物质对重金属的稳定化有着重要的影响。

炭化温度对牛粪生物炭结构性质的影响

以牛粪为原料,在不同炭化温度下(200、300、400、500、600、700℃)采用热裂解法制备生物炭,借助扫描电子显微镜、元素分析仪、比表面积分析仪,结合Boehm滴定法、碘吸附及亚甲蓝吸附等,对所制得的牛粪生物炭的形貌特征、元素组成、比表面积、孔径、表面官能团和吸附性能等进行分析。结果表明:随着炭化温度升高,产率和挥发分含量降低,灰分和固定碳含量升高,pH值增加,制得生物炭的形貌特征更有规则且孔隙更加紧密。适当的升高炭化温度有利于孔隙的形成及微孔数量的增多,比表面积和孔容逐渐变大,而孔径逐渐减小。随炭化温度升高,牛粪生物炭的C含量增加,而H、O含量减小,N含量先增加后减小,H/C、(O+N)/C和O/C均下降,说明制得生物炭的芳香性和结构稳定性增强,但极性和亲水性减弱。表面官能团中羧基含量随炭化温度升高先增加后降低,羰基含量持续增加,而内酯基、酚羟基含量、酸总量和表面含氧官能团总量逐渐降低。碘吸附值和亚甲基蓝吸附值随炭化温度升高先增加后减小,在600℃下吸附值最大。

磷基改性生物炭的制备及对重金属Pb(Ⅱ)的吸附

水体重金属污染对自然环境和人体健康造成了极大的危害,开发新型污染治理材料具有重大意义。本研究以玉米秸秆、牛粪粉末、小麦秆和麦穗为原料,以羟基磷灰石(HAP)和磷酸二氢钾(KH_(2)PO_(4))为改性剂,采用浸渍-热解法制备生物炭,并探讨了生物炭对水中Pb(Ⅱ)的吸附效果。结果表明,磷基改性生物炭相比未改性生物炭对铅的吸附容量显著提高,KH_(2)PO_(4)改性玉米秸秆-牛粪生物炭对铅的吸附量较未改性增加了394.6 mg/g,提高了478.0%;HAP改性麦穗生物炭对铅的吸附量较未改性增加了507.9 mg/g,提高了997.7%;玉米生物炭原料中添加牛粪可显著提高改性生物炭对铅的吸附能力,相对于未添加,HAP和KH_(2)PO_(4)改性玉米秸秆-牛粪生物炭的铅吸附量分别增加了210.6,177.1 mg/g,提高了140.0%和59.1%。本研究制备的KH_(2)PO_(4)改性玉米秸秆-牛粪生物炭和HAP改性小麦生物炭对铅均表现出较强的吸附效果。

载镁牛粪生物炭对磷酸盐的吸附性能及机制

研究了对牛粪生物炭进行载镁改性并用于从废水中吸附去除磷酸盐,考察了磷酸盐初始质量浓度、生物炭投加量和溶液初始pH对磷酸盐吸附去除效果的影响;通过多种吸附模型对试验数据进行拟合并分析吸附机制。结果表明:牛粪生物炭通过载镁改性可显著提高吸附性能,其对磷酸盐的吸附量约为改性前的22倍;吸附效果受磷酸盐初始质量浓度和改性生物炭用量影响较大,可在较宽pH范围内保持较高吸附量;准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型可以更好地描述吸附过程,吸附过程主要为单分子层化学吸附;吸附过程吸热,升高温度有利于提高吸附效果。

牛粪生物炭对土壤污染改良及修复的应用

通过文献资料分析,阐述了牛粪生物炭自身的理化特性、牛粪生物炭对土壤性能的影响、牛粪生物炭在土壤污染改良及修复的应用状况。文献研究表明,炭化温度和时间是影响牛粪生物炭理化特性的主要因素,牛粪生物炭主要对土壤孔隙度、容重、pH、有机质含量及阳离子交换量等土壤性能的影响显著;目前,牛粪生物炭对土壤重金属污染、有机污染的修复研究已取得显著效果,对土壤氮淋失的修复和土壤改良及机理的研究也日趋完善,牛粪生物炭在土壤污染改良和修复方面具有良好的应用前景。

牛粪生物炭与氮肥复施对PAEs污染土壤修复研究

为探究牛粪生物炭与氮肥复施对土壤中邻苯二甲酸酯(PAEs)降解效果及生物有效性影响,该研究以邻苯二甲酸二甲酯(DMP)和邻苯二甲酸二乙酯(DEP)污染土壤为研究对象,通过以牛粪为原料制备的生物炭与氮肥复施,进行土壤中PAEs降解的应用条件及生物有效性影响研究。结果表明:当牛粪生物炭与氮肥复施比例为2.5,土壤初始pH为8,土壤温度为30℃,降解时间为150 d时,土壤中DMP和DEP降解效果最佳,降解率分别为87.84%和90.63%。牛粪生物炭与氮肥复施能够抑制土壤中PAEs的迁移转化,抑制小麦根部中PAEs向叶部的传输。当牛粪生物炭与氮肥复施比例为2.5时,小麦及种植小麦土壤中PAEs的含量最低。

飞灰添加量对沼渣、牛粪共堆肥的影响

为改善沼渣、牛粪共堆肥低磷和低钾等问题,向共堆肥肥堆中添加生物质飞灰,对堆肥过程中堆体理化特性进行分析。选取飞灰添加量为8%、12%、20%和25%,按四分法每10天取样记录含水率、电导率、总碳、总氮、总磷和总钾等变化,分析研究飞灰添加量对沼渣、牛粪共堆肥的影响。结果表明:当飞灰的添加量由8%增加到25%,堆体的含水率增加,但是当添加量超过12%时,对含水率影响不大,最终维持在58%左右;飞灰中的碱金属等物质的存在,中和好氧发酵过程产生的酸,提高堆体的pH值,同时还提高堆体的电导率,改善堆体的发酵环境;飞灰中的生物炭和钾等成分提高堆体的总碳和总钾含量,60天腐熟后,堆体的总碳含量由37.37%增加到47.81%,总钾含量最大值为35.74 g/kg,但是对总氮和总磷含量的影响不明显。然而过高的飞灰添加量会抑制微生物的生长,从而降低发酵速率和产品质量。

牛粪生物质炭基肥对青稞生长、产量及氮素利用的影响

为探讨不同配比的生物质炭基肥料对青稞生长、产量和氮素利用的影响。以牛粪为研究对象,在限氧条件下经高温热解炭化制成生物炭,将生物质炭与一定比例的化学肥料混合,制成生物质炭基肥料。研究表明,随着碳化的进行,牛粪中的全氮和有机质(有机碳)含量降低,材料的碳氮比也随之降低,而全磷、全钾的含量升高;增施牛粪生物炭,青稞叶片中叶绿素含量升高,促进作物对肥料中养分的利用,进而利于青稞生长,草木灰与化肥配施的叶片叶绿素含量最高;不同处理籽粒产量之间的差异达到极显著;化肥施入量减少至70%,牛粪生物炭施入量30%时,籽粒产量最高,达到4830.75 kg/hm^(2),高于有机肥、草木灰与化肥配施和羊粪的处理(较对照增产13.88%);22500 kg/hm^(2)羊粪处理的秸秆产量最高;同等氮输入条件下,减少化肥施用量,增加生物炭,可以提高氮素利用效率。

牛粪生物炭的应用研究进展

为了解决牛养殖业生产过程带来的牛粪资源不合理利用而造成空气、水体以及土壤污染的难题,将废弃的牛粪制备成生物炭,利用其独特的结构与性能进行土壤的改良、作物的增产以及重金属等污染物的吸附。本文通过分析牛粪生物炭应用的现状,指出现有研究中存在的不足,希望有助于环境污染的治理、生态环境的改善以及畜牧业的健康发展。

牛粪生物炭的研究进展与展望

指出了中国养牛业尤其是奶牛业发展迅猛,高度规模化养殖过程中产生了大量牛粪,这些牛粪若不能得到妥善的处理将严重影响养殖场及其周边地区的空气、水体以及土壤等生态环境。如果将这些牛粪在厌氧条件下热解得生物炭,可避免生物质燃烧,从而减少二氧化碳的释放。基于此,总结了牛粪生物炭的研究现状,并在此基础上了展望了其发展前景。

生物炭基针铁矿复合材料对水中莠去津吸附特性研究

以牛粪和水稻秸秆为原料,分别在300℃和500℃条件下制备生物炭,同时通过共沉淀方法制备生物炭基针铁矿复合材料,研究生物炭及生物炭基复合材料对水中莠去津吸附特征。SEM和XRD分析结果表明,复合材料表面粗糙程度增加,2θ在21.2°、33.4°、36.6°、47.6°处出现针铁矿的特征衍射峰,生物炭基针铁矿复合材料制备成功。通过对吸附动力学和等温吸附平衡分析发现,生物炭对莠去津的吸附行为更符合准二级动力学方程,等温吸附过程符合Freundlich模型(r^(2)为0.925—0.996)。在25℃条件下,莠去津在300℃和500℃条件下制备的针铁矿负载牛粪生物炭上的吸附量分别是原生物炭上吸附量的1.59倍和2.99倍,在针铁矿负载水稻秸秆生物炭上的吸附量分别是原生物炭上吸附量的2.02倍和1.73倍。比表面积和孔结构数据显示,生物炭基复合材料的比表面积是原生物炭材料的4.41—20.8倍,制备生物炭材料的孔结构以中孔为主。莠去津在生物炭上的吸附大体表现为吸热的自发过程。对不同材料制备的生物炭及与生物炭基复合材料吸附性能进行对比,结果表明水稻秸秆制备的生物炭对莠去津的吸附性能优于牛粪制备的生物炭,生物炭基针铁矿复合材料对莠去津的吸附效果优于原生物炭。随制备温度的升高,相同材料生物炭对莠去津吸附性能略有增加。研究结果可为生物炭及生物炭基针铁矿复合材料去除水中莠去津的应用提供理论依据。