不同熱解溫度生物炭改良鉛和鎘污染土壤的研究

研究論文( Articles)科技導報2011,29(14)導報不同熱解溫度生物炭改良鉛和鎘污染土壤的研究丁文川,朱慶祥,曾曉嵐,吳丹,田秀美重慶大學(xué)城市建設與環(huán)境工程學(xué)院;三峽庫區生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,重慶40045摘要為了探究熱解溫度對生物炭修復重金屬污染土壤的影響將300500c和700℃下制備的生物炭加入鉛(Pb)和鎘Cd污染土壤進(jìn)行培養,檢測重金屬形態(tài)的變化。結果表明加入生物炭培養60d后,Pb和Cd污染土壤pH值較對照上升0350.86單位值,土壤中重金屬的酸可提取態(tài)含量下降殘渣態(tài)含量上升,對目標重金屬生物有效性降低的改良效果7000>5000×30C在生物炭添加量相同的情況下,復合污染土壤中Pb的殘渣態(tài)含量比對應單一污染高5060%-7279%,而復合污染土壤中Cd的酸可提取態(tài)含量較對應單一污染高753%-129%;熱解溫度影響生物炭的表面特征和吸附重金屬機制,進(jìn)而影響生物炭改良士壤中目標重金屬形態(tài)分布。關(guān)詞生物炭;熱解;鉿;鎘;污染土壤修復中圖分類(lèi)號X53文獻標識碼Ado10.381/n.100-78572011.14002Biochars From Different Pyrolytic Temperature Amending Lead andCadmium Contaminated SoilDING Wenchuan, ZHU Qingxiang, ZENG Xiaolan, wU Dan, TIAN XiumeiCollege of Urban Construction and Enrironmental Engineering Three Gorges Reservoir Area's Ecology and Enrironment KeyLaboratory of Ministry of Education, Chongg ing Unirersity, Chongying 400045, ChinaAbstract Biochar from biomass pyrolysis haw'reeeived much attention recently due to its strong affinity for organic pollutants and heavymetals. Previous stuies have revealed potential applications of biochar in the contaminated soil remediation. However, the knowledge ofpyrolysis temperature effects on biochar as a soil amendment remains lacking. In this paper, three biochars produced at 300C, 500C and700 were added into lead (Pb) and Cadmium (Cd) contained soil. variations of these two metals were analyzed before and after 60 daysincubation.The results show that soil pH value is increased by 0.35--0.86 units after biochars addition and incubation. Acid extractablform contents of Ph and Cd are reduced, whereas the residual form contents are increased. The reducing bio-availability of target heavymetals by different biochar amendments is in the following order. 700 C>500C>300T. With the same amount of biochar addition, Phresidual form contents in the combined polluted soil are inereased by 50.60%-72.79% from the single polluted soil, and Cd acidxtractable form contents in the combined polluted soil are increased by 7.53%-12.99% from the single polluted soil. Pyrolytictemperature affeets characteristics of biochar surface strueture and mechanism of heavy metal sorption on biochar, and then affects thestates of lead and Cadmium in soilsKeywords biochar: pyrolysis: Lead: Cadmium; contaminated soil remediation施加改良劑是修復重金屬污染土壤的一種較經(jīng)濟的原效,因為一且土壤pH值降低會(huì )導致重金屬重新釋放。磷酸鹽位處理方法。常用的改良劑包括石灰叫、磷酸鹽和工業(yè)廢物改良劑的投加量常需達到土壤中正常磷含量的20倍以上才(爐熔渣高爐礦渣粉川等。石灰對長(cháng)期固定重金屬井非有能生成磷氯鉛礦(難溶化合物),但土壤中磷過(guò)量可能引起周中國煤化工收稿日期:2011-02-14;修國日期:2011-04-26CNMHG作者簡(jiǎn)介:丁文川,教授,研完方向為環(huán)境生物技術(shù)、污染場(chǎng)地修復;電子信箱; dingIn科技導報2011,29(14)研究論文( Article導報圍水體富營(yíng)養化。工業(yè)副產(chǎn)品本身常含有重金屬及其他化離子水給土壤補充水分,保持在田間持水量的70%左右,室合物施加后會(huì )對土壤造成進(jìn)一步的污染。生物炭具有很大溫下培養60后取樣分析。的比表面積、孔隙率和離子交換能力,可以吸附有機污染物14分析測試和重金屬。 Chimica等發(fā)現添加生物炭引起的土壤pH值主要分析土壤中重金屬的酸可提取態(tài)、Fe-Mn氧化結合升高可以提高CdF和N的固定效果。王漢衛等添加5%改態(tài)、有機結合態(tài)和殘渣態(tài)等4種形態(tài)含量變化。土壤中PhCd性納米生物炭(碳黑)使土壤有效態(tài)Cu含量降低了809%,有總量用HC-HNO-HF-HCO2消煮法提取:土壤中PCd形效態(tài)zn含量降低了436%。生物質(zhì)在不同熱解溫度范圍發(fā)生態(tài)分級采用歐洲共同體標準物質(zhì)局提出的BCR法,酸可提取不同的熱化學(xué)過(guò)程形成的生物炭理化性質(zhì)存在差異,然而態(tài)用0lmL的醋酸提取FeMm氧化結合態(tài)用05mL的這些差異對生物炭改良重金屬污染土壤的影響目前報道不鹽酸羥胺(2 nol/L HNO酸化,pH值為15)提取,有機結合態(tài)多。本文將不同熱解溫度制備的生物炭用于Pb、Cd單一污染在30%的雙氧水水溶消化后用1mo的醋酸銨(濃HNO3酸和復合污染土壤改良,研究添加生物炭后對土壤中兩種重金化,pH值為20)提取,殘渣態(tài)采用差減法計算屬形態(tài)變化的影響。土壤消煮過(guò)濾后濾紙與濾渣放入馬弗爐550℃氧化2h,灰燼用 HNO-HCIO4提取并測定P和Cd在濾渣中的含量。1材料與方法兩種重金屬濃度均采用原子吸收分光光度計(TAS-990,1.1供試土壤北京普析通用儀器有限責任公司)測定。土壤pH值測定使用供試土壤取自重慶某處農田其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。酸度計(PHS23,上海法蘭朵科技發(fā)展有限公司),水土比(W/W)為25:1。生物炭比表面積和孔徑使用全自動(dòng)比表面積表1供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Prmary properties of the tested soil及微孔分析儀(ASAP2020,美國麥克儀器公司)測定。一有機質(zhì)A土壤陽(yáng)離子2結果與討論交換量(CEC)/(g·kg)/(gkg"/(mg.kg")/(mg.kg")21生物炭對土壤pH值的影響添加生物炭后,重金屬污染土壤pH值均較對照升高(圖59x0032149103281484121.2添加P30030和P20的土壤p值在D單一污染中較對照分別升高了0.35059和07,在Cd單一污染中分別1.2生物炭制備升高了0360.55和086,且添加熱解溫度越高的生物炭,士壤將松木條(10m×1mx1m)置室溫下白然風(fēng)干,疊放入樣品p值也越高。由于土壤pH值升高會(huì )影響PhCd的水解托盤(pán)后置于馬弗爐內缺氧炭化設定終溫為3005000℃,平衡使PCd通過(guò)絡(luò )合沉淀等作用被固定下來(lái),因此,達到終溫后繼續炭化2,待馬弗爐溫度降至室溫后取出黑色熱解溫度的升高可以提高生物炭對重金屬的修復效果殘渣,磨碎,過(guò)20目篩得到3種生物炭,對應標記為P-300P-500、P-700。生物炭表面結構特征見(jiàn)表2?？赑b污染C染表2生物炭的表面結構特征Table 2 Characteristics of surface structure of biocharT比BET微孔表外表生物炭表面積面積面積總孔容平均孔(m2g)/(m2g4)/m2g4)(cm·g2)徑A8P-300320.610.00037397P-500379052923386.720.19120.10P-700453.19354.0999.100.25222.27700℃圖1生物炭對污染土壤pH值的影響13處理方法Fig. 1 Effect of biochar application on pH value in實(shí)驗土壤風(fēng)干粉碎過(guò)20日篩,加入 PbCI CuCI2進(jìn)行污染處理,其中Pb、Cd的施加量分別為350、1mgkg,形成Pb或Cd單一污染以及P、Cd復合污染3種土壤。污染土壤穩定、22生物炭對Pb、Cd單一污染土壤金屬形態(tài)的影響平衡2周后裝盆,每盆lkg,然后將3種生物炭按5%(W/W)的投加量加入盆中,充分混勻。設置未添加生物炭的污染土Pb的壤為對照(CK),共12個(gè)處理,每處理3個(gè)重復。每隔1d用去提H中國煤化工染士中重金屬餐604后,Pb的酸可CNMHG含量較對照分別下研究論文( Articles科技導報2011,29(14)導報降2283%-53.84%、3.90%—29.12%和2.2%-17.45%,殘渣化合物。態(tài)含量則較對照上升1596%—40.10%。添加P-700后對土壤23生物炭對Pb和cd復合污染土壤金屬形態(tài)的影響中Pb的殘渣態(tài)(較對照上升40.10%)和酸可提取態(tài)(較對照由圖3可見(jiàn),添加生物炭對Pb和Cd復合污染土壤金屬下降53.84%)影響最大,這說(shuō)明添加生物炭后土壤中Pb的生形態(tài)影響與兩種金屬單一污染趨勢一致,即酸可提取態(tài)、Fe物有效性大大降低。按此比較不同生物炭對P污染土壤的Mn氧化結合態(tài)和有機結合態(tài)含量較對照下降,而殘渣態(tài)含改良效果順序為:P-700>P-500P-300,表明高溫熱解制備的量較對照上升。但是,當存在復合污染時(shí),加入生物炭后土壤生物炭對Pb的修復效果更好。中Pb的Fe-Mn氧化結合態(tài)含量明顯低于對應的在單一污染酸可提取態(tài)口FeMn氧化結合態(tài)口有機結合態(tài)1土壤中的含量,而有機結合態(tài)和殘渣態(tài)含量較單一污染的上升,酸可提取態(tài)含量變化不大,顯示Cd的存在提高了生物炭對Pb的穩定性。與Pb的變化不同,在復合污染土壤中加入生物炭后Cd的多數形態(tài)含量與對應在單一污染土壤中Cd的形態(tài)含量差別不大,但酸可提取態(tài)含量增加753%1299%,意味著(zhù)P的存在增加了土壤中Cd的溶解性,從而提高Cd的生物活性300℃5℃口酸可提取態(tài)口FeMn氧化結合態(tài)口有機結合態(tài)口殘渣態(tài)口總量誓10300℃700℃處理圖2生物炭對單一污染土壤重金屬形態(tài)的影響Fig2 Effect of biochar application on the states of heavy 5metal in single target metal contaminated soil三制如己生物炭對Cd污染土壤的改良作用與Pb相類(lèi)似。培養60d后,殘渣態(tài)含量較對照上升幅度達147.06%-26471%500℃700℃而酸可提取態(tài)、Fe-Mn氧化結合態(tài)和有機結合態(tài)含量較對照下降幅度分別為1765%-58.82%、9.86%—28.17%和1220%圖3生物炭對復合污染土壤重金屬形態(tài)的影響1545%。P-700生物炭對Cd污染土壤中殘渣態(tài)和酸可提取F1g3 Effect of biochar application on the states of heavy態(tài)影響較P更為顯著(zhù),同對照相比,殘渣態(tài)含量增加達到metal in two target metals contaminated soil26471%,而酸可提取態(tài)含量下降達58.82%,表明提高熱解溫由于Pb和Cd同為帶正電荷的離子,存在對生物炭吸附度更有利于生物炭降低污染土壤Cd的生物有效性點(diǎn)位的競爭。但生物炭對Ph的吸附速率和吸附親和力均值得注意的是,添加P-300P-500和P-700后,土壤中大于Cd,在兩種金屬共存的體系中Pb被更快更多地吸附,優(yōu)總Pb和總Cd含量比對照均有減少。經(jīng)測定發(fā)現,土壤消煮先占據活性點(diǎn)位,影響了生物炭對Cd的反應,導致Cd的酸濾渣中總P含量為8.67-5367mg/kg,總Cd含量為0.13-可提取態(tài)含量降低。0.53mgkg,表明濾渣中仍然存在被固著(zhù)的重金屬,這部分重無(wú)論是復合污染還是單一污染,熱解溫度越高的生物炭金屬未被消解進(jìn)入溶液,且可能主要為殘渣態(tài)。因為在酸性對兩種重金屬穩定效果也越好。低溫熱解的生物炭(P-300提取環(huán)境下,Fe-Mn氧化結合態(tài)和有機結合態(tài)能轉化為酸可比表面積和孔隙率很小,表面極性官能團較多,吸附動(dòng)力主提取態(tài)進(jìn)入溶液。熱解溫度越高形成的生物炭,過(guò)濾殘渣中要是表面極性官能團與金屬離子之間產(chǎn)生的靜電引力;隨未被消解的總Pb和總Cd量越多。推測認為,一方面提高熱著(zhù)熱解溫度的升高,生物炭的C含量增加,0、H含量和CH解溫度,制備的生物炭表面微孔更多,且平均孔徑變小,一些均降低重金屬進(jìn)入微孔內部難以被溶出;另一方面,高溫炭化生成積和孑H中國煤化工程度加深,比表面逆吸附量增大更多的無(wú)機鹽可能與P和Cd進(jìn)一步形成更加穩定難溶的P500CNMHG子擴散控制。由此科技導報2011,29(14研究論文( Articles)導報可見(jiàn)熱解溫度影響了生物炭化學(xué)組成結構,引起土壤性質(zhì)Wang Hanwei, Wang Yujun, Chen Jiehua, et d. China Enrirorumenun改變(如pH值),另外對重金屬的吸附機理也有差異,從而對sience.2009,294431-436生物炭修復土壤效果產(chǎn)生顯著(zhù)的影響。[9] Uchimiya M, Lima I M. Klasson K T, el ad. Immobilization of heavy metalions(Cu, Cd, Ni, and Pb) by broiler litter-derived biochar in waterand soil J) Journa of Agriculture and Food Chemistry, 2010, 58(9)3結論5538-5544生物炭的加入可提高土壤p值,改變重金屬各形態(tài)的 OI Nguyen B T.hnmn. Black carbon decomposition under varying分布,降低酸可提取態(tài)含量,從而鈍化土壤重金屬,降低其生water regimes. Orgie Geochemistry. 2009. 408): 846-853[I1] Tsakou A. Roulia M. Christodoulakis N S. Growth parameters and heavy物有效性。當土壤中P和Cd共存時(shí),加人生物炭后Pb的穩metal accumulation in poplar tree cultures (populus euramericana)定性會(huì )進(jìn)一步提高,而Cd穩定性有明顯下降。采用較高熱解utilizing water and sludge from a sewage treatment plant [l Bulletin of溫度制備的生物炭對Pb、Cd的單一污染和復合污染土壤的Enrironmental修復效果更好。Contamination and Toxicology, 2003. 71(2): 330-337.12郭利敏,艾紹英,唐明燈,等.不同改良劑對鍋污染土壤中小白菜吸收的影響中國生態(tài)農業(yè)學(xué)報,2010.18(3):654658.參考文獻( References)Guo Limin, Ai Shaoying. 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China Environmental Science,的研究中國環(huán)境科學(xué).2009.294):431-4362007.27(1:125-128(責任躺吳曉麗)《科技導報》“科技縱橫捭闔”欄目征稿“科技縱櫝捭闔”欄目收對學(xué)術(shù)熱點(diǎn)、前浯,學(xué)術(shù)爭論、爭端,科學(xué)與文化,科學(xué)人物介紹,海外科研、留學(xué)經(jīng)歷,科學(xué)史,科學(xué)淵源,科學(xué)決策、學(xué)術(shù)會(huì )議、科學(xué)活動(dòng),以及科研經(jīng)費、科研項目申報、考試等方面的雜詼文幸。每篇文導報章約220宇,要求求實(shí)、具體,行文深入淺出、言簡(jiǎn)意黥、邏輯清斷、有理有SCIENCE TECHNOLoGY rEvIEw據、觀(guān)點(diǎn)鮮明、切中H中國煤化工芷,電于信箱CNMHG