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。

生物炭-椰糠栽培基质特性及其对香蕉组培苗生长的影响

为筛选出适用的香蕉组培苗栽培基质,开展以生物炭为主要物料的栽培基质研究。采用单因素方差分析方法,以‘中蕉8号’为香蕉组培苗,椰糠、铁粉和生物炭为基质材料,通过在椰糠中添加系列体积比的生物炭(2%、5%、10%、20%、50%)及铁粉,设置7个处理,于2022年在广东省农业科学院农业资源与环境研究所的试验基地开展盆栽试验。结果显示,添加生物炭对椰糠的大部分性状没有产生显著影响,但同时添加铁粉大幅降低了基质有效磷含量。生物炭添加低于20%时,香蕉植株地上部干物质量显著增加了3.5%~193.8%,地下部干物质量显著增加了22.2%~39.8%,植株氮含量显著提高了5.0%~182.9%(B10I除外)、钾含量显著提高了7.1%~178.1%,说明添加生物炭改善了香蕉组培苗的氮素和钾素营养。生物炭添加量高于20%,尽管对基质的性状没有显著影响,但抑制香蕉植株生长。同时添加铁粉,大幅降低了基质有效磷含量,也抑制了植株的生长。综合比较,在椰糠中添加2%~10%体积比的生物炭适用于香蕉组培苗栽培,具有推广应用前景。

不同水分条件下椰壳炭施用对稻田土壤酶活性及微生物群落的影响

以热带稻田土壤为研究对象,利用室内短期恒温(25℃)培养探讨好氧和淹水条件下椰壳炭不同施用量(0%、2%和5%(w/w))对土壤性质和微生物群落的影响。结果表明:①培养35 d后,好氧和淹水条件下增施2%和5%椰壳炭均提升土壤pH,增幅分别为20%、39%和31%、32%。好氧下土壤脲酶活性增加121%和75%,酸性磷酸酶活性降低10%和49%,碱性磷酸酶活性提高39%和39%;淹水下脲酶活性减少12%和45%,酸性磷酸酶活性降低3%和14%,碱性磷酸酶活性增加133%和105%。②增施2%和5%椰壳炭时,好氧下土壤细菌和真菌香农指数均降低,但淹水时增加。好氧下变形杆菌门(Proteobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和浮霉菌门(Planctomycetes)丰度提高,增幅分别为2%、54%,51%、47%和94%、82%;淹水下酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度增加,增幅分别为3%、20%,14%、18%和38%、37%;同时好氧和淹水下土壤担子菌门(Basidiomycota)丰度均下降,降幅分别为68%、70%和68%、76%,并且淹水下壶菌门(Chytridiomycota)和罗兹菌门(Rozellomycota)丰度增加。该研究结果可为椰壳炭对稻田土壤改良及其推广应用提供参考。

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%。

椰壳基生物炭的制备及其对酸性红73的吸附性

【目的】探讨椰壳生物炭对偶氮染料酸性红73(AR73)的吸附性能及吸附机理。【方法】以椰壳生物质为原料制备生物炭,并对其结构、形貌等基本性能及吸附特征进行研究。【结果】椰壳生物炭表面具有丰富的活性官能团,形貌为蜂窝状孔隙结构。其对AR73的吸附时间为360 min时,吸附达到平衡,吸附率为95.27%。吸附过程符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,其是一个吸热、熵增自发的反应。【结论】因此,椰壳基生物炭是1种对AR73的吸附效率高的吸附材料。

PGPR联合不同添加量椰壳生物炭对镉污染土壤的修复效果

【目的】探究CSBC-PGPR-黑麦草联合修复体系对Cd污染黄壤土的修复效果。【方法】选取椰壳生物炭(coconut Shell Biochar,CSBC)耦合植物促生菌—伯克霍尔德氏菌(Burkholderia sp.)YXL1制备4种不同的生物炭材料,通过盆栽试验考察CSBC-PGPR-黑麦草联合修复体系修复前后黑麦草生物量、黑麦草中Cd富集量、土壤中Cd赋存形态及其理化性质、土壤酶活性等。【结果】相较于CK对照组,CSBCB(CSBC+YXL1)施用后黑麦草生物量最大增幅74.20%、有效态Cd最大增幅15.25%、黑麦草富集Cd最大增幅为434.90%;土壤理化性质有效提升,pH、全氮、有效磷最大提高了0.50个单位、0.48 g/kg和7.61 mg/kg;土壤脱氢酶、土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶以及蔗糖酶活性较空白处理活性显著提高,最高分别提高了62.55%、70.05%、27.49%和73.57%。【结论】运用CSBC-PGPR-黑麦草联合修复体系强化黑麦草对Cd富集能力,有着良好的应用前景。

椰壳-污泥基生物炭对水中染料的吸附性能研究

为考察椰壳-污泥基生物炭对于水中染料的吸附性能,开展了生物炭对水中亚甲基蓝和活性艳蓝的吸附动力学、等温吸附、吸附热力学、影响因子等机理分析。结果表明,该生物炭对染料的吸附过程更符合准二级动力学和Langmuir模型。在温度为35℃、pH值为7.0、生物炭投加量为2.5 g/L、吸附平衡时间为60 h条件下,亚甲基蓝和活性艳蓝最大理论吸附量分别达到7.80和18.28 mg/g。该生物炭对亚甲基蓝和活性艳蓝的吸附能力随温度升高而提高,表现为吸热反应。随着pH值增加,生物炭对活性艳蓝的单位吸附量逐渐下降,对亚甲基蓝吸附量逐渐提高。随着生物炭投加量增加,其对2种染料的吸附量逐渐减少。总体上,椰壳-污泥基生物炭对染料吸附过程以化学吸附为主,π-π吸附效应、氢键和静电相互作用是吸附过程的主要作用力。

生物炭制备及其在水处理中的应用

在不同热解温度下(300、500、700℃)制备椰壳生物炭,分析其理化性质,研究采用室内模拟实验,测定污水中总氮(TN)、总磷(TP)和氨氮(NH_(4)^(+)-N)含量,探讨不同生物炭投加量(质量分数分别为0、2%、4%、6%和8%)对污水中氮、磷元素的影响。结果表明,污水中投加生物炭对氮、磷元素的去除具有良好的处理效果,投加量为2%、4%、6%和8%与不投加生物炭的对照相比,TP的去除率有效增加9.9%、8.3%、5.6%、8.7%(P<0.05),TN的去除率有效增加2.5%、5.6%、8.5%、16.7%(P<0.05),NH_(4)^(+)-N的去除率有效增加2.2%、2.0%、2.1%、2.7%;该实验中对污水氮磷去除效果最佳的生物炭投加量为2%和8%;投加生物炭能够有效去除污水中TN和TP,是解决目前生活污水处理领域的除磷效率低、成本高、难彻底的问题的有效措施。

中空椰壳碳材料吸附亚甲基蓝染料性能研究

制备出吸附效率更高、价廉易得的生物质碳材料具有十分重要的意义。以椰壳为原料,经过碱预处理后再高温碳化后得到中空椰壳生物质碳。碱活化碳化提供了丰富的含氧官能团、中空的大孔和粗糙结构。经过吸附实验后发现改性后的中空椰壳对25 ppm亚甲基蓝的去除率为96.09%。当pH从6.8调至10时,对亚甲基蓝的去除率仍高达94.85%。该研究为以后新的改性技术和染料废水的处理提供了有效的思路。

椰衣和椰壳生物质炭的制备及其对溶液中Pb^(2+)的吸附

以椰衣和椰壳作为原材料,在300、500和700℃条件下热解制备生物质炭,表征其物理化学性质;同时,研究所制备的生物质炭对溶液中Pb^(2+)的吸附特征与机制.结果表明:随着热解温度升高,所制备的生物质炭的含氧官能团减少,灰分、pH值、阳离子交换量、比表面积和碱性官能团的含量随之升高.热解温度升高可促进生物质炭对Pb^(2+)的吸附;Langmuir模型可较好地描述所制备的生物质炭对Pb^(2+)的等温吸附;在供试的6种生物质炭中,吸附量最高的是在700℃条件下制备的椰衣生物质炭,且优于大多数已报道的用其他材料制备的生物质炭.拟合发现,所制备的生物质炭的阳离子交换量和灰分含量是影响其吸附Pb^(2+)的重要因子,在初始Pb^(2+)质量浓度为200mg/L条件下,椰衣生物质炭对Pb^(2+)的稳定吸附量为9.83~13.91mg/g,椰壳生物质炭为9.68~25.16mg/g.这表明椰壳生物质炭吸附态Pb^(2+)比椰衣生物质炭吸附态Pb^(2+)更稳定.

椰壳生物炭对海南滨海土壤的改良效果

选用椰壳生物炭为改良材料,海南滨海盐渍土壤为改良对象,设置5种不同椰壳生物炭与滨海土壤体积比处理,分别为0꞉20、1꞉20、2꞉20、3꞉20和4꞉20,采用盆栽试验种植空心菜(Ipomoea aquatica Forsskal),研究椰壳生物炭不同施用量对滨海土壤的改良效果。结果表明,(1)添加1꞉20—4꞉20椰壳生物炭后,土壤pH得到明显改善,由酸性变为中性;土壤有机质、全N、有效P和速效K含量得到显著提高,分别提高了42.4%—153%、32.1%—36.7%、35.0%—44.6%和70.0%—220%(P<0.01);空心菜的生长得到明显促进,平均每株叶片数、单株鲜重和地下部根重分别增加19.7%—29.6%、43.2%—59.7%和81.3%—119%(P<0.05)。(2)添加2꞉20—4꞉20椰壳生物炭后,土壤过氧化氢酶活性显著提高21.3%—71.1%(P<0.01);土壤盐度显著下降6.83%—14.9%(P<0.05)。(3)添加1꞉20—3꞉20椰壳生物炭提高了土壤细菌多样性和丰富度并优化了细菌群落结构,ACE、Chao1和Shannon指数分别提高了6.50%—14.4%、3.50%—11.9%和3.34%—3.56%;与碳氮循环能力相关的芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)和亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)的丰度分别提高了44.3%—67.2%和229%—243%。(4)RDA冗余分析结果表明,椰壳生物炭能通过提高土壤养分含量、优化微生物群落结构、提高细菌多样性和过氧化氢酶活性来降低土壤盐度。综上,添加体积比为2꞉20—3꞉20的椰壳生物炭可显著降低滨海土壤盐分、改善土壤pH、提高土壤养分含量、增强土壤酶活性和提高微生物多样性并优化其群落结构,更有利于作物的生长。

铁锰改性椰壳炭对土壤镉形态及水稻吸收积累镉的影响

为研究椰壳炭(coconut shell biochar,简称"CSB")及铁锰改性椰壳炭(Fe-Mn modified coconut shell biochar,简称"FM-CSB")对土壤中Cd的钝化效果及对水稻吸收积累Cd的影响,采用室外水稻盆栽试验,比较了施加质量比为0. 5%的CSB与质量比为0. 05%、0. 1%、0. 2%、0. 5%的FM-CSB对南方酸性污染稻田土壤pH、Cd的形态变化及水稻各部位吸收积累Cd的差异性.结果表明:与CK相比,施加CSB与FM-CSB均能提升土壤pH,当FM-CSB施加量高于0. 1%时效果显著(P<0. 05),施加0. 5%FM-CSB处理效果最好,且优于添加0. 5%的未改性CSB处理.相比于CK处理,施加CSB与FM-CSB处理均可使土壤中w(弱酸可溶态Cd)随着水稻的生长而逐渐降低,而w(可还原态Cd)、w(可氧化态Cd)与w(残渣态Cd)则呈升高趋势,其中0. 5%FM-CSB处理对土壤中w(弱酸可溶态Cd)的降低效果最佳.随着FM-CSB添加量的增加,水稻各部位及稻米中w(Cd)均逐渐降低,施加0. 5%FM-CSB时的降Cd效果最佳,可使水稻根、茎、叶、壳与糙米中w(Cd)比CK分别下降48. 66%、54. 64%、45. 11%、31. 64%与48. 94%,并增产39. 33%,而施加量同为0. 5%时的FM-CSB处理下的降Cd效果显著高于未改性的CSB.研究显示,施加0. 5%CSB与0. 05%～0. 5%的FM-CSB均可钝化土壤中Cd并降低水稻对Cd的吸收,且施加相同量的FM-CSB对Cd的钝化效果优于CSB.可见,FM-CSB可钝化土壤中Cd、降低其生物有效性,并减少Cd在水稻各部位的积累.

施用椰壳生物炭对砖红壤氮素淋失和油麦菜吸收利用的影响

为明确施用生物炭对油麦菜生长、氮素利用和淋溶的影响,通过盆栽试验,测定了不同处理条件下砖红壤-油麦菜系统土壤淋溶液不同形态氮淋失量、油麦菜农艺形态指标以及植株吸氮量。结果表明:有机氮淋溶量占砖红壤总氮淋溶量的73.8%~77.5%。常规化肥处理铵态氮、硝态氮、有机氮和总氮淋溶量最高,分别为3.9,48.3,163.2,215.4 mg/盆。椰壳生物炭(1%,2%,5%,m/m)与腐植酸肥配施处理铵态氮、硝态氮、可溶性有机氮和总氮淋失量分别比常规化肥处理降低40.6%~52.4%,28.8%~54.9%,22.7%~55.5%,24.4%~55.4%。添加椰壳生物炭油麦菜生物量、氮素利用率分别比单施腐植酸肥提高9.46%~26.44%,9.86%~13.61%;但是过量施用会影响生物量的积累,抑制根系的生长。椰壳生物炭施用量为3.2%(m/m)时油麦菜生物量最大。

椰纤维生物炭对砖红壤水稻土Pb形态及水稻产量和品质的影响

为研究椰纤维生物炭(CFB)对铅(Pb)污染水稻土中Pb 形态和生物有效性的影响,以及对水稻(Oryza sativa L.)生长和品质的调控效果,以热带(海南)具有代表性的花岗岩和玄武岩母质发育的砖红壤水稻土为供试土壤,在6 种Pb 污染土壤(Pb 质量分数为0、50、250、500、2 500、5 000 mg·kg^-1)中添加质量分数为3%的CFB,并进行水稻盆栽试验,分析土壤EDTA 有效态Pb 含量和Pb 形态,及糙米Pb 含量、水稻产量和农艺性状的变化。结果表明:随Pb 污染量的增加,两种水稻土中各化学形态和有效态Pb 含量显著增加(P<0.05);CFB 的施用降低了土壤交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态Pb 含量,增加了有机结合态和残渣态含量;降低了供试土壤有效态Pb 含量,且玄武岩母质水稻土较花岗岩母质水稻土效果更显著。Pb 质量分数(250、500 mg·kg^-1)未超过国家农业用地风险管制值(GB15618—2018;≤500 mg·kg^-1)时,花岗岩水稻土、玄武岩水稻土中糙米Pb 含量依次超过食品安全国家标准(0.2 mg·kg^-1);Pb 胁迫未对水稻生长和农艺性状造成明显影响;而质量分数为5 000 mg·kg^-1时,Pb 胁迫抑制水稻生长、降低农艺性状,此时花岗岩和玄武岩中糙米Pb含量分别超过国家食品安全标准14、10 倍。CFB 能够缓解Pb 对水稻产量和品质的影响;Pb 质量分数为500 mg·kg^-1 时,CFB 的施用使玄武岩水稻土中糙米Pb 含量降低38.4%,符合食品安全国家标准。因此,椰纤维生物炭能够促使土壤中Pb向水稻难吸收的有机结合态和残渣态转化,降低有效态Pb 含量,减轻Pb 对水稻生长的毒害及在糙米中的累积。

椰壳生物碳吸附Cd(II)的性能和机制

将椰子壳在高温缺氧条件下热解制备了椰壳生物碳(coconut shell biochar,CSBC),用于吸附水中的Cd(II)。通过红外光谱分析(fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)、X射线能谱(energy dispersive spectroscopy,EDS)等方法对CSBC以及CSBC-Cd(II)进行了表征,研究了CSBC对Cd(II)的吸附机理。考察了Cd(II)溶液pH、初始浓度、吸附时间对CSBC吸附Cd(II)性能的影响。结果表明:pH对CSBC吸附Cd(II)有显著的影响,pH=5为最佳吸附条件;CSBC吸附Cd(II)的动力学和热力学数据分别符合Pseudo-second-order model模型和Langmuir模型,吸附过程以化学吸附为主,拟合的饱和吸附量为29.36 mg/g。吸附机理为:Cd(II)与CSBC表面的CO_(3)^(2-)生成CdCO_(3)和Cd(OH)_(2)沉淀,以及O—H、C—O、C C、C O、COO-等活性官能团与Cd(II)形成配合物。可见CSBC是一种有应用前景的Cd(II)吸附剂。

椰壳炭对阿莫西林的吸附及其影响因素

结合BET、FTIR,考察了投加量、时间、AMO浓度、温度、pH值和离子浓度等因素对吸附的影响。结果表明,YKC对AMO的去除效果受投加量、时间、AMO浓度、温度和p H值的变化影响较大,在投加量为30 mg,AMO浓度为100 mg/L,温度298 K,时间为4 h的条件下,YKC对AMO的吸附量和吸附率分别达到了88.67 mg/g和53.67%。pH值和FTIR分析表明,静电吸引和氢键作用是YKC吸附AMO主要机理。

椰壳生物炭对水中Cr(Ⅵ)的吸附机制研究

利用热带地区椰壳为原材料在3个温度下制备生物炭(分别标记为B450、B550和B650),通过静态吸附实验研究其对水中Cr(Ⅵ)的等温吸附和吸附动力学特性。结果表明:相同条件下,B650对水中Cr(Ⅵ)的吸附量最大;3种生物炭对水中Cr(Ⅵ)的等温吸附曲线均能较好的用Langmuir方程和Freundlich方程进行拟合,且B650对Cr(Ⅵ)的吸附能力最强,其次为B550、B450;准二级动力模型能很好描述3种生物炭对水中Cr(Ⅵ)的吸附过程(r^2>0.99),说明其吸附机制主要是表面化学吸附。

椰壳纤维炭磺酸的制备及其催化性能研究

以海南椰壳纤维为原料,采用减压热解炭化的方法制备椰壳纤维炭材料,以发烟硫酸作为磺化剂制备椰壳纤维炭磺酸。采用FTIR、DSC-TGA和SEM等分析手段对椰壳纤维炭磺酸进行结构及形貌表征,并将其用于催化合成乙酸乙酯反应研究。实验结果表明,成功制得椰壳纤维炭磺酸,其适宜的制备条件为:炭化温度300℃、炭化时间2 h、20%发烟硫酸作磺化剂、磺化时间3 h、磺化温度90℃、炭材料的质量与磺化剂的体积之比1∶32 g/mL。通过FTIR分析表明炭材料磺化后出现磺酸基团特征峰,通过DSC-TGA分析表明该酸中心在180℃以下稳定,通过SEM观察发现椰壳纤维炭磺酸材料表面具有大量密集网状孔洞,比表面积大,有利于催化反应进行。催化实验结果表明,在以椰壳纤维炭磺酸为催化剂合成乙酸乙酯反应中产率可达91.74%,椰壳纤维炭磺酸循环使用4次催化活性依然较高。

KMnO_(4)和KOH改性椰壳生物炭的制备及其去除废水中铀的机理研究

用KMnO_(4)和KOH对椰壳生物炭进行改性,制备成改性椰壳生物炭。采用傅立叶红外光谱对其进行了表征,探究了吸附剂投加量、温度、溶液pH和U(VI)初始质量浓度对U(VI)吸附性能的影响,分析了其吸附铀的机制。结果表明:在T=298 K、c0=10~80 mg/L,pH=5的条件下,改性椰壳生物炭对U(VI)的吸附能力达到4.82 mg/g;改性椰壳生物炭的—OH可与U(VI)发生络合反应;改性椰壳生物炭对U(VI)的吸附符合准二级动力学模型、粒子内扩散模型以及Langmuir等温吸附模型。

椰壳生物炭对水中Cr(Ⅵ)的吸附性能研究

椰子是我国热带地区的典型经济作物,而椰壳则是一种丰富的热带农业废弃物资源。本文利用椰壳为原材料制备生物炭,通过静态吸附试验研究其对水中Cr(Ⅵ)的最佳吸附条件。结果表明,在温度为30℃、p H值为1时,样品B650在6 h时对水中Cr(Ⅵ)的吸附达到基本平衡,其最佳投加量为16 mg/L,最大吸附量为5.024 mg/L。该研究为农林废弃物资源化用于废水中重金属处理提供理论依据和技术支持。