生物炭基肥对土壤镉铅和毒死蜱的吸附与钝化

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近年来,将生物炭作为肥料载体制备生物炭基肥用于控制土壤污染和氮素等营养元素流失成为国内外新的研究热点。重金属和农药是农田土壤中普遍存在的典型污染物。目前,国内外对生物炭吸附上述两类污染物已有较多的研究,然而,有关生物炭基肥对土壤重金属的钝化和农药的吸附性能研究极少。本论文以稻壳生物炭和过氧化尿素为原料,在响应面优化制备生物炭基肥的基础上,以土壤重金属镉(Cd)、铅(Pb)和农药毒死蜱为目标污染物,采用批量吸附试验和土壤培养等方法,研究生物炭基肥对土壤重金属Cd、Pb和毒死蜱的钝化与吸附性能。研究结果为生物炭基肥用于农田污染土壤的控污增效提供了科学依据,主要研究结果如下:1.响应面优化制备生物炭基肥的结果表明,当水添加量为16.89%、肥-炭质量比为0.2、高岭土添加量为25%时,生物炭基肥的尿素累积释放率为17.63%,比仅施用过氧化尿素的对照组降低了74.32%。负载过氧化尿素后生物炭可产生更多的-OH、-C-O、-C=O等含氧官能团,为吸附更多重金属提供可能。施用优化制备的生物炭基肥后,小白菜的地上生物量比空白对照组增加了83.58%,比生物炭处理组增加了87.79%,表明制备的生物炭基肥具有控制氮素流失和促进作物生长的作用。2.生物炭基肥对Cd2+和Pb2+的吸附过程符合拟二级动力学模型,说明生物炭基肥主要通过化学吸附的方式对Cd2+和Pb2+进行吸附。等温吸附试验表明,与Freundlich模型相比,Langmuir等温吸附模型可以更好地描述生物炭基肥对Cd2+和Pb2+的吸附行为,表明其吸附过程近似为单层吸附。与生物炭相比,生物炭基肥对Cd2+的吸附性能提高了32.23%。傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析表明,其吸附机制主要包括离子交换、阳离子-π作用和沉淀作用。过氧化尿素中的H2O2使生物炭基肥产生更多的含氧官能团,为Cd2+提供了更多的吸附位点。3.从土壤中重金属钝化的相关试验结果可以看出,与不添加生物炭基肥的情况相比,污染土壤中添加2%生物炭基肥培养45天后,酸提取态、可还原态和可氧化态Cd分别减少了3.03%、1.85%和2.45%,而残渣态Cd增加了2.03倍,说明生物炭基肥对土壤中重金属Cd具有较好的钝化作用。4.生物炭基肥对毒死蜱的吸附过程符合二级动力学模型,说明生物炭基肥对毒死蜱的吸附机制以化学吸附为主。等温吸附试验表明,与Freundlich模型相比,Langmuir等温吸附模型可以更好地描述生物炭基肥对毒死蜱的吸附行为,表明其吸附过程近似为单层吸附。FTIR分析表明,其吸附机制主要是阳离子-π作用。与生物炭相比,生物炭基肥对毒死蜱的吸附性能提高了33.83%。可能归因于来自过氧化尿素的H2O2使生物炭基肥产生了更多的含氧官能团,为毒死蜱提供了更多的吸附位点。5.土壤培养试验表明,添加1%、2%和4%生物炭基肥培养15天后,污染土壤中毒死蜱的含量分别减少了62.00%、44.00%和59.00%。与生物炭相比,添加1%和4%生物炭基肥土壤中,毒死蜱含量的下降率分别提高了7.51%和19.60%,说明添加生物炭基肥能增强土壤对毒死蜱的吸附。
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