不同热解温度万寿菊秸秆制备生物炭对Cd的吸附特性研究

来源:用户上传      作者:刘群星 宋琳 何彪

　　摘 要：以万寿菊秸秆为试验材料，在不同热解温度下制备生物炭，通过测定不同吸附时间、不同pH值、Cd浓度下4种生物炭（T300、T500、T700、T900）的吸附量，研究不同热解温度生物炭对Cd的吸附特性。结果表明，在相同的吸附时间内，吸附效果从小到大依次为T300
　　关键词：生物炭;热解温度;镉;吸附
　　中图分类号 TQ424.19 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）19-0138-02
　　Adsorption Characteristics of Cd on Biochar Derived from Straw of Tagetes erecta at Different Pyrolysis Temperatures
　　LIU Qunxing1 et al.
　　（1Yunnan Ecological Environment Engineering Assessment Center，Kunming 650228，China）
　　Abstract：The article researched on the adsorption characteristics of cadmium on biochar at different pyrolysis temperatures（300-900℃）.Biochar was derived from Tagetes erecta at different temperatures.The adsorption performance of biochar was studied by measuring the adsorption capacities of the four biochar（T300、T500、T700、T900）under different adsorption time，pH and cadmium concentration.The results showed that the order of adsorption effect was T300
　　Key words：Biochar;Pyrolysis temperature;Cd;Adsorption
　　生物炭是指在缺氧环境下，热化学转化生物质得到的固体材料，因其来源广泛、成本低、可再生等特性而备受关注。生物炭具有较大的比表面积，良好的孔隙结构，丰富的表面基团，使其对重金属污染物具有较强的吸附作用，被认为是一种可广泛应用于土壤重金属污染修复和农业生产的新型环保材料[1-3]。镉（Cd）是植物非必需元素，具有移动性强、中毒临界浓度低、累积效应强等特点，是环境中最危害的重金属之一。据《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤污染情况十分严重，全国土壤的总超标率为16.1%，其中Cd超标率为7.0%[4]。2016年国务院颁布的《土壤污染防治计划》指出，在重点监测的5大土壤重金属中，排在第1位是Cd。可见，当前我国土壤Cd污染形势十分严峻。
　　植物修复尤其是替代种植是修复土壤重金属污染耕地的重要方法之一[5]。万寿菊具有净化空气、美化环境等作用，其提取的叶黄素已被广泛应用于化工、医药、饲料等领域，可作为重金属污染耕地替代种植作物。但由于万寿菊秸秆重金属含量较高，对其的处理利用是目前关注的重点问题之一[6]。为此，本研究以万寿菊秸秆作为制备生物炭的原料，研究pH、吸附时间、Cd浓度对不同热解温度制备下生物炭对Cd吸附特性的影响，探讨利用重金属污染区种植的万寿菊秸秆制备生物炭修复重金属污染农田的可行性，以期为实现替代种植农业废弃物“三化”处理及生物炭在改良修复污染土壤中的应用提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 材料制备 采集某铅锌矿区周边污染耕地修复的万寿菊秸秆，烘干、冷却至室温后进行研磨。将研磨好的万寿菊秸秆装入已清洗的坩埚，然后后置于300、500、700、900℃的马弗炉中炭化8h，冷却至室温后装于密封袋备用，分别标记为T300、T500、T700、T900。
　　1.2 试验方法
　　1.2.1 吸附时间 首先配制Cd溶液，浓度为40mg·L-1，该溶液中含有0.01mol·L-1NaNO3作为背景电解质，然后将溶液pH调节为6.0±0.05。在100mL的锥形瓶中加入0.1g由不同温度条件下制备得到的生物炭，再加入40mL配制好的Cd溶液，将其放入摇床中在不同时间（2h、5h、10h、20h、60h）进行震荡，震荡完成后取上清液离心、过滤。利用火焰原子吸收分光光度法测量溶液中Cd的浓度，根据试验数据计算其吸附量。
　　1.2.2 pH值 首先配制0.1mol·L-1HNO3或NaOH溶液，用于調节pH。然后配制70mg·L-1不同pH值（2.0、3.0、4.0、5.0、6.0）的Cd溶液，该溶液中含有0.01mol·L-1NaNO3作为背景电解质的Cd溶液。在100mL的锥形瓶中加入0.1g由不同温度条件下制得到的生物炭，分别加入40mL不同pH值的Cd溶液，振荡48h，震荡完成后取上清液离心、过滤。利用火焰原子吸收分光光度法测量溶液中Cd的浓度，根据试验数据计算其吸附量。
　　1.2.3 Cd浓度 配制含有0.01mol·L-1NaNO3作为背景电解质的不同浓度（5、10、20、50、100mg·L-1）的Cd溶液，然后将溶液pH值调节至6.0±0.05。在100mL的锥形瓶中加入0.1g由不同温度条件下制备得到的生物炭，分别加入40mL不同浓度的Cd溶液，振荡48h，震荡完成后取上清液离心、过滤。利用火焰原子吸收分光光度法测量溶液中Cd的浓度，根据实验数据计算其吸附量。
　　2 结果与分析
　　2.1 不同吸附时间对生物炭吸附Cd的影响 从图1可以看出，当Cd浓度为40mg·L-1时，T300对Cd的吸附能力开始较慢，10h之后迅速增加，而其余3种生物炭对Cd的吸附能力在初始阶段比较快，10h后吸附速率逐渐变缓直至吸附平衡。其中，T700、T900这2种生物炭随吸附时间的增加，吸附量的变化情况基本一致。
　　2.2 不同pH值对生物炭吸附的影响 从图2可以看出，pH值的变化对T500、T700的影响较大，对T300、T900的影响较小。在pH值增加的过程中，4种生物炭对Cd的吸附能力也随之变大;T300吸附量在pH值增加到5时达到最大值，其余3种生物炭在pH值增加到6时达到最大值。
　　2.3 不同Cd浓度对生物炭吸附的影响 从图3可以看出，随着Cd浓度的不断升高，T500、T700的吸附量也不断升高，当溶液Cd浓度为50mg/L时，两者吸附量达到最大值，其中T700（14.984mg/g）>T500（14.512mg/g）。
　　3 结论
　　（1）随着吸附时间的增加，生物炭对Cd的吸附能力增加，在一定的吸附时间内，高温所制得的生物炭对Cd的吸附效果最好。
　　（2）在一定pH值范围内（2～6），pH值越高，吸附能力越好，且高温生物炭受pH值变化的影响相对较小。
　　（3）生物炭对Cd的吸附量随溶液Cd浓度的增加而增加。本试验中，当Cd溶液浓度为50mg/g时，T500、T700这2种生物炭对Cd的吸附达到饱和。
　　参考文献
　　[1]王重庆，王晖，江小燕，等.生物炭吸附重金属离子的研究进展[J].化工进展，2019，38（01）：692-706.
　　[2]陈志良，袁志辉，黄玲，等.生物炭来源、性质及其在重金属污染土壤修复中的研究进展[J].生环境学报，2016，25（11）：1879-1884.
　　[3]吴正卓，刘桂华，柴冠群，等.伴矿景天修复镉污染土壤研究进展[J].山地农业生物学报，2018，37（06）：70-75.
　　[4]陈能场，郑煜基，何晓峰，等.《全国土壤污染状况调查公报》探析[J].农业环境科学学报，2017，36（09）：1689-1692.
　　[5]安婧，宫晓双，魏树和.重金属污染土壤超积累植物修复关键技术的发展[J].生态学杂志，2015，34（11）：3261-3270.
　　[6]刘翰升，赵春莉，刘玥，等.镉胁迫对万寿菊属植物幼苗生理及富集的影响[J].福建农业学报，2019，34（10）：1221-1227.
　　（责编：张宏民）
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