竹炭对土壤Cu、Cd形态分布的影响

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随着工业的迅速发展,土壤重金属污染日益严重,如何有效地治理土壤重金属带来的污染问题受到社会各界的广泛关注。生物炭是生物质在缺氧条件下经高温慢热解产生的固态物质,它在缓解气候变化、改良土壤质量、提高农作物产量及修复污染土壤等方面起到重要作用,近年来已经成为国内外的研究热点。本论文对生物质竹炭进行改性处理,并研究了其对土壤中重金属Cu、Cd的吸附和固定作用。采用X射线衍射仪、电子探针、扫描电镜、比表面积分析仪、傅立叶红外光谱和Boehm滴定法对竹炭及改性竹炭进行表征,分析其表面理化性质的变化。在重金属Cu和Cd污染土壤中施加竹炭和改性竹炭培养60天后,研究Cu和Cd的形态分布、淋溶特性及毒性浸出量的变化,并探讨了竹炭的修复机理与其表面结构的关系,对竹炭固定重金属的可行性进行了分析,主要结论如下:  (1)竹炭经10%硝酸改性后含水率、灰分均有所升高,pH值下降;竹炭的主要成分为C、H、O和N,经化学改性后,竹炭的O、H比例升高;改性的某些骨架被氧化,微孔孔径增大、数量增多,且表面更为平滑;比表面积从原来的43.360m2/g上升到改性后的521.702m2/g;竹炭表面存在-COOH、-OH、-C=O等酸性官能团,改性后官能团总量从0.21 mmol/g上升到0.67mmol/g.由表征结果表明,改性竹炭更利于吸附重金属离子,吸附效果更好。  (2)竹炭及改性竹炭的加入均可不同程度地提高土壤pH值,但未改性竹炭的pH值上升幅度较大。无论是单一污染还是复合污染,竹炭对土壤重金属都表现出良好的固定效果。竹炭及改性竹炭的加入使重金属的有效态降低,残渣态升高,进而降低重金属的生物有效性。竹炭施加量越多,固定效果越好。Cd在复合污染中的修复效果明显优于单一污染,而Cu与此相反。因为在复合污染土壤中,Cu和Cd存在吸附点位的竞争,竹炭对Cd的吸附亲和力和吸附速率明显大于Cu。经改性后的竹炭对土壤重金属的修复效果更好。  (3)与对照相比,竹炭和改性竹炭的施入均降低了土壤重金属Cu、Cd的释放量。其中,Cu污染土壤的释放量随淋溶次数的增加而减少,而Cd的释放量随淋溶次数的增加先增加后减少。5%的改性竹炭对土壤重金属的固定效果最好。用模拟酸雨(pH=4.5)对不同处理的土壤进行淋溶,淋出液的pH均比淋溶液要高,即不同处理的土壤对酸雨均表现出一定的缓冲性能,可抑制土壤的酸化程度。  竹炭及改性竹炭的加入降低了重金属的毒性浸出浓度,降幅分别为21.36%~49.48%、14.99%~37.48%,而5%的改性竹炭的毒性浸出浓度比对照组降低的更多,达47.57%。各处理的毒性浸出液的重金属浓度均降到阀值以下,降低了重金属的毒性,减少了对土壤环境的危害。
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