以中药渣生物炭为基质的组合钝化剂对Cu、Cd复合污染土壤的修复

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土壤重金属污染是制约土壤健康与食品安全的顽疾,我国南方土壤污染更重于北方,重金属元素常伴生出现,例如铜冶炼厂周边的土壤Cu和Cd为主要污染物。如何合理管理和使用重金属污染土壤,恢复土壤生产和生态服务功能已刻不容缓。化学钝化修复技术具有低成本、易操作、见效快的优点,组合使用修复效果更佳,因此在重金属污染土壤修复中得到广泛的重视和关注。本论文选择板蓝根药渣为原料,缺氧条件下高温裂解制备300℃、500℃两种生物炭(BC300、BC500),并对BC500载Fe改性(Fe-BC500),再与天然麦饭石(MFS)组合材料为钝化剂,研究其对某铜冶炼厂周边Cu、Cd复合污染水稻田土的钝化效果,分析指示植物黑麦草对钝化效果的响应特征,探明组合钝化剂对土壤和植物微环境的钝化效果和修复机理。主要研究结果如下:BC300、BC500、Fe-BC500和MFS等四种材料对Cu、Cd均有较好的吸附效果,Langmuir和Freundlich方程均能较好地拟合两者的关系。Langmuir方程更好地拟合BC300、BC500和Fe-BC500的吸附效果,且对Cu的最大吸附量分别为8.02mg·g-1、9.20mg·g-1和8.82mg·g-1;对Cd的最大吸附量分别为7.97mg·g-1、8.51mg·g-1和7.70mg·g-1。Freundlich方程能更好地拟合MFS的吸附效果。BET、和FT-IR分析结果表明,材料的比表面积,表面官能团羟基、羧基、羰基、酯基、铁羟基和硅羟基等可有效增加钝化剂对Cu、Cd的吸附量。XRD未检测出四种钝化材料与Cu、Cd形成的新晶体物质。通过一次平衡吸附解吸的结果表明:土壤Cu、Cd的固持效果随着BC300、BC500、Fe-BC500和MFS用量的增加而增加,但钝化剂的外源添加可能导致土壤理化性质的变化,因此添加量不宜过大。在2%的低用量时已表现出良好的固持效果。施用量为2%(土)时,对土壤Cu固持率分别为46.48%、59.48%、78.92%和93.96%,对土壤Cd固持率分别为66.39%、74.17%、77.22%和81.06%。在此基础上,控制添加总量为2%(土)时,研究三种炭材料和麦饭石组合配施对土壤Cu、Cd的固持效果,炭材料:麦饭石的配比为:1:8、1:6、1:4、1:2、1:1、2:1、4:1、6:1和8:1,共27个处理。结果表明:组合钝化剂随MFS的比例增加固持效果增加,三种炭材料的组合钝化效果依次为BC500+MFS>BC300+MFS>Fe-BC500+MFS。BC300、BC500、Fe-BC500、MFS、BC500:MFS(1:8)、BC500:MFS(1:1)和BC500:MFS(8:1)共7种钝化材料(施用量2%土)研究土壤Cu、Cd钝化效果及迁移转化规律的结果表明:钝化剂施用后土壤Cu、Cd的残渣态含量显著增加,因钝化剂的种类不同,其来源不完全一致,但主要为酸提取态。其中BC300、BC500、MFS和BC500:MFS(1:1)四种钝化材料效果较好,残渣态Cu含量分别提高了6.29%、16.08%、7.75%和10.16%,弱酸提取态分别降低了0.13%、9.19%、0.33%和4.44%;残渣态Cd分别增加了29.63%、15.12%、58.69%和85.25%,弱酸提取态Cd含量分别降低了15.04%、6.43%、16.89%和26.36%。7种钝化材料均能显著提高土壤pH和CEC值,BC300对土壤有机质、速效磷、碱解氮等均有显著提高,其他处理对养分变化差异不显著。采用黑麦草为指示生物研究BC300、BC500、Fe-BC500、MFS、BC500:MFS(1:1)、Fe-BC500:MFS(1:1)共6种钝化材料(施用量2%土)的钝化效果,结果表明:6种钝化处理均能显著提高黑麦草地下、地上部分生物量、叶绿素含量、根系活力,同时显著降低黑麦草地上、地下部分Cu、Cd含量。钝化剂的施用不仅减少了黑麦草地下部分对土壤重金属Cu、Cd的吸收量,还抑制土壤重金属Cu、Cd由地下部分向地上部分转移。综合钝化效果为BC300>MFS>BC500+MFS>BC500>Fe-BC500+MFS>Fe-BC500。
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