【摘 要】
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随着冶炼、采矿、电镀等行业的迅猛发展以及农业生产活动中农药化肥的过度使用,大量重金属排入环境中且难以被自然降解,其中砷(As)、铅(Pb)污染的情况尤为突出。土壤中的As、Pb污染不仅可以影响土壤肥力,而且可以通过食物链使其生物毒性放大进而对人体健康造成巨大威胁。在复合污染土壤中,As、Pb的理化性质和污染物行为的差异使土壤污染更为复杂,修复难度更大,亟须开发一种有效提高修复效果的材料。生物炭因成
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随着冶炼、采矿、电镀等行业的迅猛发展以及农业生产活动中农药化肥的过度使用,大量重金属排入环境中且难以被自然降解,其中砷(As)、铅(Pb)污染的情况尤为突出。土壤中的As、Pb污染不仅可以影响土壤肥力,而且可以通过食物链使其生物毒性放大进而对人体健康造成巨大威胁。在复合污染土壤中,As、Pb的理化性质和污染物行为的差异使土壤污染更为复杂,修复难度更大,亟须开发一种有效提高修复效果的材料。生物炭因成本低廉、吸附性能良好以及操作简单成为研究热点。但在复杂的复合污染土壤环境中,未改性的生物炭的钝化效果有限。近年来,铁硫改性材料被广泛用于砷、铅以及其他重金属污染的土壤。本研究以水稻秸秆为原料,通过浸渍-煅烧制得一种新型的铁硫共掺杂生物炭(Fe/S-BC),在探究其在复合污染的水体中对As、Pb的吸附特性和机理的基础上,将Fe/S-BC应用于As-Pb复合污染的农用地土壤的钝化,研究其钝化效能和机制,为砷铅复合污染土壤提供一种修复治新思路。主要结果如下:(1)通过浸渍煅烧法成功制得Fe/S-BC,利用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积测试(BET)、傅立叶红外光谱技术(FTIR)、X射线衍射技术(XRD)、和X射线光电子能谱技术(XPS)等对Fe/S-BC的表面结构和形貌进行探究发现,与未改性的水稻秸秆生物炭(BC)、铁掺杂生物炭(Fe-BC)相比,Fe/S-BC具有更大的比较面积和更丰富的官能团。(2)通过吸附动力学、等温吸附以及吸附热力学等实验分析Fe/S-BC对复合溶液中As(III)、Pb(II)的吸附机制。结果表明在As-Pb复合溶液中,反应主要受化学吸附控制,是自发的吸热过程。Fe/S-BC对As(III)和Pb(II)的吸附分别符合Freundlich模型和Langmuir模型,对As(III)和Pb(II)的最大吸附量分别为91.2、631.7mg/kg。通过对比Fe/S-BC在As/Pb单一体系和复合体系中的吸附性能发现,Fe/S-BC对As、Pb的吸附同时存在协同和竞争效应,结合一系列的表征分析得出Fe/S-BC对As(III)的去除机制主要包括:沉淀、氧化和络合作用,对Pb(II)的去除机制主要包括:离子交换、络合、沉淀和静电吸附作用。(3)将Fe/S-BC应用于As-Pb复合污染的农田土壤中,模拟实际农田作物种植过程中烤田和淹水等操作进行有氧和无氧对比培养。结果表明Fe/S-BC投加到土壤后会对土壤中p H、氧化还原电位(Eh)、有机质(SOM)、阳离子交换量(CEC)以及氮磷钾含量等理化性质产生影响,加入Fe/S-BC的土壤p H值呈现先上升后稳定的趋势,Fe/S-BC在有氧环境能稳步提升土壤Eh,在无氧条件下降低土壤Eh;在有氧和无氧处理中均能提升土壤的SOM、CEC值并提升有效磷和速效钾的含量且在无氧条件下提升土壤氨态氮含量,有效提升土壤肥力。(4)Fe/S-BC的加入使土壤中的As、Pb向稳定的形态转化。Fe/S-BC对As、Pb的稳定效率随时间的增加而增加,在有氧环境中对As、Pb的稳定效率较无氧环境的高。Fe/S-BC在有氧环境更能促进As的可交换态和专属吸附态向非专属吸附态转化,同时使Pb的可交换态、碳酸盐结合态向铁锰氧化态和残渣态转化;在无氧环境下促进As的可交换态转化为非专属吸附态和结晶型铁结合态,促进Pb的可交换态、碳酸盐结合态转化为较稳定的铁锰氧化态,有效提升土壤中As、Pb的钝化效能。
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