新型生物炭对设施菜地吡虫啉和啶虫脒的强化降解研究

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20世纪80年代以来,我国的蔬菜产业得到长足的发展,设施栽培成为蔬菜生产的主要方式和农民增产增收的一条重要途径。设施栽培过程中,农药施用量过高、不合理混用、乱用滥用等导致了农药的残留污染等问题逐渐突出,严重影响了设施蔬菜品质和安全。特别是吡虫啉、啶虫脒等新烟碱类杀虫剂在设施蔬菜种植过程中使用量大,在土壤中检出率高。近年来,作为土壤调理剂的生物炭越来越多的被用来修复污染土壤,而且可以通过生物炭的物理改性或者联合化学修复技术来提高污染修复效率。基于此,本论文通过负载纳米零价铁来制备新型生物炭(BC-nZVI),并对比了新型生物炭与生物炭(BC)、生物炭联合过硫酸钠(BC-PS)对吡虫啉和啶虫脒的吸附降解性能,初步探讨了相关的机理;通过土壤-水悬浊液和盆栽实验研究了新型生物炭对污染土壤的修复效果,进一步通过土壤微生物活性变化来探究新型生物炭对土壤微生物的影响。本研究对设施菜地常用杀虫剂污染土壤修复提供了新的材料和理论基础。具体的研究结果如下:(1)BC-nZVI的制备以及吸附降解性能研究。(1)BC-nZVI的制备。利用液相还原法成功制备出nZVI及炭铁比3:1和5:1的BC-nZVI,通过扫描电镜可以发现nZVI成功负载在BC表面。(2)BC-nZVI的投加量与炭铁比的确定。结果表明,添加0.2g·L-1炭铁比3:1的BC-nZVI吸附降解性能比炭铁比5:1的BC-nZVI好,对吡虫啉(啶虫脒)的吸附率与降解率与BC相比有较大提高。BC-PS对吡虫啉(啶虫脒)的吸附率与降解率与BC相比也有较大提高。(3)BC-nZVI的吸附性能验证。通过等温吸附实验进一步验证BC-nZVI的吸附性能,结果表明,BC-nZVI相比BC对吡虫啉和啶虫脒具有更好的去除作用。(4)BC-nZVI的降解机理研究。结果表明,BC带有持久性自由基,含有羟基、羧基等官能团,能够起到一定的氧化还原作用,BC-nZVI不仅具有BC的羟基、羧基等官能团,还有nZVI本身能够进行氧化还原,使得BC-nZVI降解能力大大加强;并且发现BC-PS体系中硫酸根自由基和羟基自由基的存在,其中羟基自由基占主导作用。(2)BC-nZVI的土壤应用性能研究。(1)通过土壤-水悬浊液实验发现,BC-nZVI和BC-PS能够更好的对农药进行去除,BC-nZVI对吡虫啉(啶虫脒)的去除率相比BC有显著提高。(2)通过番茄盆栽实验发现,BC-nZVI对番茄叶片和土壤中吡虫啉的去除效果优于BC,本实验选用添加量(0.1%)BC-nZVI在30d对番茄叶片和土壤中吡虫啉的去除率相比对照组高,这也进一步验证了新型生物炭的应用可行性。(3)通过微生物碳源利用实验发现,本实验添加剂量(0.1%)BC-nZVI的添加能够促进微生物活性,增加微生物种类和数量,说明BC-nZVI能够通过促进微生物活性来促进对农药的微生物降解,并且BC-nZVI对土壤毒性影响很小,适用于农田土壤治理修复。
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