油料作物秸秆生物炭—黄土—水体系下Cu（Ⅱ）的吸附—解吸作用研究

【摘要】：土壤重金属污染具有隐蔽性、累积性和不可逆性等特点。它不仅对土壤的理化性质和植物生长产生不良影响,影响生态系统的结构和功能,而且可迁移转化富集到植物体内,影响植物的产量和质量,最终通过食物链影响人类的健康。所以,重金属污染土壤的修复已经引起了国内外的广泛关注。近年来,由于生物炭独特的结构使其具有良好的吸附性能,将生物炭作为一种土壤改良剂施用于土壤中,不仅减缓了温室气体排放,而且在改良土壤性质和固定化修复重金属污染土壤等方面展现出了巨大潜力。因此,生物炭有望成为环境友好的固定化修复试剂之一。本文首先采用批平衡吸附实验,考察了不同影响因素对生物炭、黄土及加炭黄土吸附Cu(Ⅱ)的影响,采用动力学方程、吸附等温方程和热力学方程深入探讨了Cu(Ⅱ)在生物炭、黄土及加炭黄土上的吸附动力学和热力学特点。其次采用批次平衡解吸实验,研究了添加生物炭对模拟污染黄土中重金属离子(Cu2+)解吸作用的影响,考察污染黄土中重金属Cu2+的解吸动力学和热力学特点。最后采用批次平衡吸附实验,研究黄土中主要成分有机质(腐植酸)和粘土矿物(伊利石)-生物炭-水体系下重金属Cu的吸附作用,考察了在有机质(腐植酸)和粘土矿物(伊利石)共存条件下,生物炭吸附Cu(Ⅱ)的等温吸附和热力学特点。本文结果可为生物炭固定化修复重金属污染土壤提供一定的理论基础。通过论文研究,主要得到以下结论:(1)考察了溶液初始pH值、吸附时间、重金属初始浓度、温度和无机盐Ca2+浓度对生物炭、黄土及加炭黄土吸附Cu(Ⅱ)的影响。结果表明,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附在4h时基本达到平衡,而黄土及加炭黄土对Cu(Ⅱ)的平衡时间为10 h。生物炭、黄土及加炭黄土对Cu(Ⅱ)的吸附动力学曲线符合准二级动力学方程。溶液p H值对生物炭、黄土及加炭黄土吸附Cu(Ⅱ)的影响比较显著,吸附量均随着溶液p H值的升高而逐渐升高。随着重金属初始浓度的增大,生物炭、黄土及加炭黄土对Cu(Ⅱ)的吸附量也逐渐增大。当初始浓度为50-300 mg·L-1时,黄土对Cu(Ⅱ)的吸附量大于生物炭的吸附量,当初始浓度达到400 mg·L-1时,更利于生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附。在25℃下,生物炭和加炭黄土对Cu(Ⅱ)的等温吸附符合Langmuir模型,而黄土对Cu(Ⅱ)的等温吸附可以用Freundlich方程来描述。生物炭、黄土及加炭黄土对Cu(Ⅱ)的吸附是自发的吸热过程,吸附量都是随着温度的升高而逐渐增大,升高温度可以促进三者对Cu(Ⅱ)的吸附进程。一定浓度的无机盐Ca2+对生物炭、黄土及加炭黄土的吸附能力影响不大。(2)研究了添加生物炭对模拟污染黄土中重金属离子(Cu2+)解吸作用的影响。结果表明,Cu(Ⅱ)的解吸动力学均符合准二级动力学模型。当溶液p H值3.5时,Cu(Ⅱ)在黄土体系下的解吸率显著提高;当溶液p H值4.0时,Cu(Ⅱ)在加炭黄土体系下的解吸率明显增大。随着温度的升高(25-40℃),Cu(Ⅱ)在黄土上的解吸率逐渐增加,而Cu(Ⅱ)在加炭黄土体系下的解吸率变化趋势不明显。Cu(Ⅱ)在黄土及加炭黄土体系下的解吸率随着初始污染浓度的增加而逐渐减小。Cu(Ⅱ)的解吸率随着无机盐Ca2+浓度的增加没有明显变化。(3)研究了黄土中主要成分腐植酸和伊利石-生物炭-水体系下重金属Cu的吸附作用。结果表明,Cu(Ⅱ)的吸附量均受溶液p H值的显著影响,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附量均随着溶液p H值的增大而增加,而生物炭+腐植酸和生物炭+伊利石体系对Cu(Ⅱ)的吸附量随p H值的增大先逐渐增加后趋于平衡。Cu(Ⅱ)的吸附量均随着初始浓度的增大而逐渐增加,生物炭对Cu(Ⅱ)的吸附等温线均符合Langmuir模型,而生物炭+腐植酸和生物炭+伊利石体系对Cu(Ⅱ)的吸附等温线均符合Freundlich模型。Cu(Ⅱ)的吸附量均随温度的升高而逐渐增加,说明在该实验条件下,升高温度有助于吸附过程的进行,生物炭、生物炭+腐植酸和生物炭+伊利石体系对Cu(Ⅱ)的吸附是一个自发的吸热过程。 【关键词】：生物炭 黄土 重金属Cu(II) 吸附 解吸
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X53;X52;O647.3
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 土壤重金属污染10-14
• 1.1.1 来源及现状10-11
• 1.1.2 特点11
• 1.1.3 修复技术11-14
• 1.2 生物炭修复重金属污染土壤的研究14-16
• 1.2.1 生物炭的性质14-15
• 1.2.2 生物炭修复重金属污染的研究进展15-16
• 1.3 研究背景和课题意义16-17
• 1.4 论文研究内容和目的17-18
• 1.4.1 研究内容17
• 1.4.2 研究目的17-18
• 2 重金属Cu(Ⅱ)在生物炭-黄土-水体系下的吸附作用18-37
• 2.1 引言18
• 2.2 材料与方法18-22
• 2.2.1 试剂及仪器18-19
• 2.2.2 供试土壤19
• 2.2.3 生物炭的制备19
• 2.2.4 实验设计19-22
• 2.2.5 分析方法22
• 2.3 结果与讨论22-36
• 2.3.1 胡麻秸秆生物炭22-29
• 2.3.2 油菜秸秆生物炭29-35
• 2.3.3 两种生物炭的比较讨论35-36
• 2.4 小结36-37
• 3 生物炭对模拟污染黄土中重金属Cu(Ⅱ)的解吸作用的影响37-45
• 3.1 引言37
• 3.2 材料与方法37-39
• 3.2.1 试剂与仪器37-38
• 3.2.2 污染土壤的制备38
• 3.2.3 实验设计38
• 3.2.4 分析方法38-39
• 3.3 结果与讨论39-44
• 3.3.1 时间39-41
• 3.3.2 初始pH值41-42
• 3.3.3 温度42
• 3.3.4 初始浓度42-43
• 3.3.5 无机盐Ca~(2+)43-44
• 3.4 小结44-45
• 4 黄土主要组分-生物炭-水体系下重金属Cu(Ⅱ)的吸附作用45-55
• 4.1 引言45-46
• 4.2 材料与方法46-47
• 4.2.1 试剂与仪器46
• 4.2.2 实验设计46-47
• 4.2.3 分析测试与计算47
• 4.3 结果与讨论47-54
• 4.3.1 腐植酸47-51
• 4.3.2 伊利石51-54
• 4.4 小结54-55
• 5 结论及展望55-57
• 5.1 结论55
• 5.2 展望55-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-62
• 攻读学位期间的研究成果62

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