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。

不同电解质对牛粪生物炭吸附-解吸富里酸的影响

为了探讨牛粪生物炭对富里酸(fulvic acid,FA)吸附-解吸的影响,减少FA的流失、提高FA的利用率,采用Langmuir和Freundlic方程、准一级和准二级方程以及颗粒内扩散方程来研究NaCl、Na_(2)SO_(4)和Na_(3)PO_(4)这3种电解质对牛粪生物炭中FA吸附和解吸的影响。结果表明,牛粪生物炭对FA的等温吸附过程符合Langmuir方程,动力学方程符合准二级方程;3种电解质中牛粪生物炭对FA的等温吸附和解吸过程有显著差异,其吸附量和吸附率大小顺序均为NaCl>Na_(2)SO_(4)>Na_(3)PO_(4),解吸量和解吸率的大小顺序均为Na_(3)PO_(4)>Na_(2)SO_(4)>NaCl,MBC吸附强度与解吸强度也反应了这一规律;3种电解质中牛粪生物炭对FA吸附和解吸动力学过程有显著的差异,其吸附量和吸附率的大小顺序均为NaCl>Na_(2)SO_(4)>Na_(3)PO_(4),解吸量和解吸率的大小顺序均为Na_(3)PO_(4)>Na_(2)SO_(4)>NaCl。颗粒内扩散方程拟合结果发现,3种电解质中牛粪生物炭对FA的吸附是由表面吸附与颗粒内扩散同步控制。综上,NaCl中牛粪生物炭对FA的吸附效果最好,有利于增强土壤肥力,提高有机污染物的吸附能力,改善生态环境。

牛粪生物炭对蔬菜大棚土壤性能影响

研究了牛粪生物炭对蔬菜大棚土壤性能影响,对比了牛粪生物炭单施处理(C)较空白(CK)处理、牛粪生物炭和化肥混施处理(CCF)较化肥单施处理(CF)种植后的情况.结果表明:牛粪生物炭施用明显改善了土壤理化性质,提高了化肥利用率,促进了蔬菜生长.

牛粪源生物炭对水中甲基紫的吸附动力学和热力学

600℃缺氧热解制得牛粪源生物炭(CBC),采用SEM、FTIR和XRD等分析手段对生物炭理化性质进行表征,并通过静态平衡吸附法研究了CBC对甲基紫的吸附动力学及热力学过程.结果表明,甲基紫的吸附量随着其初始浓度的增加而增大,初始浓度由10 mg·L^(-1)增加到40 mg·L^(-1),平衡吸附量由5 mg·g^(-1)提高到30 mg·g^(-1),吸附过程先快后慢,60 min后吸附达到平衡;甲基紫的吸附量还随溶液pH的增加而增大,随温度的升高而增大;用准一级动力学方程、准二级动力学方程、Langmuir吸附等温方程、Freundlich吸附等温方程对试验数据进行拟合,结果表明,准二级动力学模型更准确地反映其吸附动力学过程,Freundlich等温方程与实验数据拟合度更好,即甲基紫在CBC上的吸附以化学吸附为主;吸附热力学参数ΔG^o<0、ΔS^o>0、ΔH^o>0,表明甲基紫在CBC上的吸附是自发进行的吸热过程.

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。

牛粪和核桃壳生物炭对水溶液中Cd^ (2+)和Zn^ (2+)的吸附研究

为有效去除水溶液中Cd^(2+)和Zn^(2+),以牛粪和核桃壳为原料,在不同热解温度下制取生物炭,采用等温吸附法和动力吸附法研究生物炭对水溶液中Cd^(2+)和Zn^(2+)的吸附效果和动力学特性,通过生物炭吸附前后的XRD和FTIR表征对比,探究其吸附机理。结果表明:生物质原材料的种类和热裂解温度是影响生物炭吸附效果的两大因素,牛粪生物炭比核桃壳生物炭吸附效果好,700℃制备的生物炭比300℃制备的生物炭吸附效果好;生物炭对Cd^(2+)和Zn^(2+)的吸附符合Langmuir方程;700℃制备的牛粪生物炭(DM700)对Cd^(2+)和Zn^(2+)的吸附性能最佳,饱和吸附量分别为117.5 mg·g^(-1)和59.4 mg·g^(-1),其吸附过程由快速吸附和慢速吸附两个阶段组成,符合准二级动力学方程;吸附机理主要是生物炭中的羟基和羧基与Cd^(2+)、Zn^(2+)间发生离子交换和络合反应,Cd^(2+)、Zn^(2+)被吸附后进一步生成CdCO_3和Zn_3(PO_4)_2沉淀。这说明,DM700具备作为水溶液中Cd^(2+)、Zn^(2+)吸附剂的潜力,本研究为生物炭去除水中重金属和土壤重金属污染的修复提供了理论依据与应用参考。

牛粪生物炭对土壤中石油烃的降解研究

以牛粪为原材料制备牛粪生物炭,通过牛粪生物炭的添加对沈阳市沈抚污灌区石油烃污染土壤进行降解研究。以期为应用牛粪生物炭原位修复污灌区石油烃污染土壤提供技术支撑。结果表明:牛粪生物炭对土壤中石油烃具有降解作用。当牛粪生物炭热解温度为700℃、牛粪生物炭投加量为75g·kg^(-1)、土壤初始pH 9、土壤温度为30℃时、石油烃的降解效果最佳(降解率可达65%以上)。牛粪生物炭对石油烃污染土壤具有良好的长效修复效果。

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。

牛粪生物炭对紫色土吸附-解吸腐殖酸的影响

通过探讨牛粪生物炭对紫色土吸附-解吸腐殖酸的影响,以减少紫色土腐殖酸的流失、提高腐殖酸利用率,为提高龙川江流域紫色土肥力提供理论依据.采用土培实验,用Langmuir和Freundlich模型、Lagergren准一级和Lagergren准二级动力学方程,研究了不同添加比例牛粪生物炭(BC、CK、1%、3%、5%)对腐殖酸的吸附与解吸的影响.采用扫描电镜、BET等方法分析牛粪生物炭的表面结构以及比表面积,来探讨牛粪生物炭对紫色土吸附和解吸HA的影响机理.结果表明,牛粪生物炭对紫色土等温吸附HA过程符合Langmuir模型,动力学模型符合Lagergren准二级动力学方程;各处理对紫色土等温吸附-解吸HA过程有明显的影响,CK对HA的吸附量和吸附率最低,解吸率最高;5%对HA的吸附量、吸附率和解吸量最高.同时,各处理对紫色土吸附-解吸HA动力学也有明显的影响,在前12 h,吸附速率逐渐增加,随后吸附逐渐达到平衡,吸附过程以化学吸附为主.各处理方法相比,5%更有利于吸附HA,防止HA流失.

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。

不同电解质对牛粪生物质炭中腐殖酸吸附–解吸的影响

本文研究了NaCl、Na_2SO_4、Na_3PO_4 3种背景电解质对牛粪生物质炭中腐殖酸吸附和解吸的影响。结果表明:在这3种背景电解质作用下,牛粪生物质炭对腐殖酸的吸附量和吸附率随着加入液腐殖酸浓度的增加而增加,但是增加速度逐渐变缓。3种背景电解质相比,NaCl中牛粪生物质炭对腐殖酸的吸附量和吸附率均为最高,吸附量范围为0.13～6.10 mg/g,吸附率范围为25.40%～87.14%。随着加入液腐殖酸浓度的增加,吸附态腐殖酸的解吸量逐渐增加,解吸率逐渐减小。3种背景电解质相比,Na_2SO_4中牛粪生物质炭吸附的腐殖酸的解吸量最高,解吸量范围为0.15～0.78 mg/g。加入液腐殖酸浓度为140 mg/L,3种背景电解质中牛粪生物质炭吸附的腐殖酸的解吸量均达到最大值,解吸量的大小顺序为Na_2SO_4>Na_3PO_4>NaCl。Na_3PO_4对腐殖酸的解吸率影响最大,解吸率范围为17.24%～90.55%,NaCl对腐殖酸的解吸率影响最小,解吸率范围为8.22%～53.54%。用Langmuir拟合3种背景电解质中腐殖酸的等温吸附曲线和等温解吸曲线,其相关系数都达到显著水平。研究结果揭示了不同背景电解质对牛粪生物质炭吸附和解吸腐殖酸的影响,可为土壤保土保肥提供理论参考。

牛粪固定床气化多联产工艺

为了减少畜禽粪便自然发酵造成的温室效应和环境污染,降低养殖奶牛的成本和增加养殖奶牛的效益,该文利用自制的固、气、液(Solid,gas,liquid)多联产固定床气化炉将牛粪气化,气化可得到固体牛粪炭、可燃气、提取液三相产品,三相产品均可以资源化利用,从而达到减排、减污的目标。考察了含水率、气化温度及气化剂的当量比对气化效果的影响。结果表明:原料含水率控制在12%～18%,气化温度为850～900℃,当量比在0.25～0.30时,气化效果较好,牛粪含水率为17.78%,气化温度为850℃,当量比为0.30时,气体产率为1.42m3·kg-1,可燃气体的低位热值为2.84MJ·m-3,牛粪炭得率为23.82%,提取液得率是24.17%。牛粪气化多联产工艺试验为工程化实施提了基础和基本数据。

碳化温度对2种畜禽粪便水热炭热重特性的影响

[目的]考察碳化温度对水热炭热解特性的影响。[方法]采用热重法对不同碳化温度下的猪粪和牛粪水热炭的热解特性及反应动力学进行研究。[结果]水热碳化温度达到180℃时,猪粪水热炭热解DTG曲线出现2个峰,特性参数也发生显著变化,且180℃的猪粪水热炭的热解残留率最低。猪粪水热炭热解反应活化能(E)和指前因子(A)均随水热碳化温度的升高而降低,牛粪水热炭热解特性参数和动力学方程中的E和A随碳化温度的增大而增大。[结论]该研究可为猪粪水热炭的制备条件化及应用提供科学依据。

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。

牛粪生物炭对土壤氮肥淋失的抑制作用

为了探讨以牛粪为原材料制备的生物炭对土壤氮肥淋失的抑制作用,对牛粪生物炭的结构和元素组成进行了表征和分析,并通过人工模拟土柱氮肥淋失实验,研究了生物炭对淋滤液p H值、铵态氮、硝态氮和总氮累积淋失总量及浓度影响。结果显示:该生物炭具有发达的管状孔洞结构,K,Ca含量比牛粪增加200%和10%;淋滤液p H值随着生物炭比例增加而提高,生物炭5%与对照0%相比,淋滤10天,p H值增幅最大,为12.5%;淋滤30天内,按生物炭0%、2%、3%、4%和5%,铵态氮和硝态氮浓度逐渐降低。淋滤大于40天,生物炭的添加延缓了土壤中硝态氮的淋失时间。生物炭4%~5%,对土壤氮肥淋失的抑制效果最佳,与对照0%相比,铵态氮、硝态氮和总氮累积淋失总量分别减少了16%、32%和32%左右。

牛粪生物炭对Cd^(2+)的吸附影响因素及特性

为了考察以牛粪为原料制备的生物炭对水溶液中Cd2+的吸附效果,进行了吸附影响因素、吸附等温线和动力学研究。结果表明,当热解温度为700℃、投加量为20 g/L、溶液初始pH为5、水溶液Cd2+初始浓度为10 mg/L、吸附平衡时间为60 min和溶液温度为25℃时,对Cd2+的吸附效果最佳,Cd2+去除率可达99%以上。提高溶液温度有利于吸附。降低生物炭热解温度和投加量对吸附效果影响不大。Langmuir方程能更好地拟合生物炭对Cd2+的吸附等温过程,吸附过程符合准二级动力学方程。牛粪生物炭是性能优良、价格经济的水溶液中Cd2+的吸附剂。

硫改性牛粪生物炭对Hg^(2+)的高效吸附及其机理

以牛粪为原料在400,500,600℃条件下限氧热解制备牛粪生物炭(BC),然后以不同质量比将升华硫和BC混合共热解制备硫改性牛粪生物炭(BCS)。使用元素分析仪、SEM、FTIR、XPS和BET对制得的BC和BCS进行了表征,并研究了各BC和BCS对Hg^(2+)的吸附特性。结果表明:热解过程使BC和BCS变得粗糙多孔,Hg^(2+)被吸附到生物炭表面和孔道内;BC和BCS的吸附过程符合准二级动力学模型,BCS对Hg^(2+)的吸附平衡时间仅为30 min,且吸附过程不受pH影响;Langmuir模型可较好地描述BC吸附过程,吸附量随热解温度的升高而降低,BCS吸附过程符合Freundlich模型,吸附能力较BC显著提升,最大拟合吸附量达到407.81 mg/g;BCS的吸附稳定性较高,在各解吸剂中的解吸率均低于5%;BC主要吸附机理为官能团络合,BCS主要吸附机理为Hg^(2+)S沉淀。因此BCS是一种高效稳定的Hg^(2+)吸附材料。

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。

生物炭-牛粪堆肥中产β-葡聚糖苷酶微生物群落应答碳代谢抑制效应

【背景】在高浓度葡萄糖引起的碳代谢抑制效应下,产β-葡聚糖苷酶(β-glucosidase)功能微生物群落为适应碳代谢压力的变化,会差异化表达糖耐受和非糖耐受的功能基因。在堆肥中添加生物炭可以改变微生物生存的环境,进而影响微生物群落的组成与功能。【目的】分析在不同碳代谢压力下添加生物炭对产β-葡聚糖苷酶功能微生物群落的结构组成与功能的影响。【方法】在生物炭牛粪-稻草堆肥中添加葡萄糖、纤维二糖及β-葡聚糖苷酶抑制剂,构建不同的碳代谢压力。以细菌来源GH1家族的β-葡聚糖苷酶基因为分子标记基因构建基因克隆文库。同时测定羧甲基纤维素酶酶活和β-葡聚糖苷酶酶活。【结果】放线菌、变形菌和拟杆菌是功能微生物群落中的优势菌群。其中,CL处理组变形菌数量有所下降,在添加了抑制剂的处理组中,拟杆菌的数量明显上升。高浓度葡萄糖显著抑制了羧甲基纤维素酶酶活,但对β-葡聚糖苷酶酶活影响不大,其中低浓度纤维二糖的处理可以显著诱导β-葡聚糖苷酶活性。GHCH处理组中β-葡聚糖苷酶表现出高浓度葡萄糖激活特性。【结论】添加生物炭未明显影响参与纤维素降解的功能微生物群落对碳代谢抑制效应的应答。与自然堆肥相比,在添加了生物炭的堆肥中,产β-葡聚糖苷酶的微生物群落对添加了高浓度葡萄糖引起的碳代谢抑制效应或添加了低浓度纤维二糖的诱导效应更敏感。