碱改柚子皮生物炭对Mn2+在土壤中吸附及运移的影响研究

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近十多年来,由于工业发展需求,我国一跃成为全球最大的电解锰生产、消费国,与此同时也囤积了大量电解锰渣。电解锰渣中以锰为主的污染物可能会通过降雨入渗穿透防渗系统,从而造成一定的土壤乃至地下水锰污染。因此本研究针对电解锰渣场的土壤锰污染防治问题,选用课题组前期制备的对水溶液中Mn2+具有良好吸附效果的碱改柚子皮生物炭(Modified Biochar,MBC),考察其在土壤中对Mn2+吸附及运移的影响,以期能为电解锰渣场的土壤锰污染防治问题提供一定的解决思路。本课题取得的主要成果如下:(1)MBC对土壤理化性质有显著的改善作用。土壤和MBC的理化性质对比分析发现:土壤和MBC的常规理化性质,包括pH、电导率(Electric potential half cells,Eh)、总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)、阳离子交换量(Cation Exchangeable Capacity,CEC)、容重差异较大;扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)显示土壤表面均质规整,而MBC表面有明显的孔隙和坑道结构;元素分析仪(Energy Dispersive Spectroscopy,EDS)发现土壤的主要元素构成为C、O、Al、Si等,而MBC的主要构成元素为C、O、Na;比表面积分析仪(Brunauer-Emmett-Teller Surface Area,BET)结果表明MBC的比表面积和孔容分别比土壤小88、87%,而孔径比土壤大;傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,FTIR)结果表明土壤中官能团主要为O-H、C=C、C=O、Si-O等,而MBC上的官能团则以CO32-和COO为主。在培育实验中,掺入比例为0、1、3、5、10%(w/w)的MBC使得土壤的理化性质得到了显著改善(P<0.05),土壤的pH、TOC、CEC分别增大了14-67%、47-578%、13-26%,而Eh则降低了21-59%。SEM也显示改良土壤表面出现了孔隙坑道结构。(2)MBC强化了土壤对Mn2+的吸附。各改良土壤对Mn2+的吸附容量随时间延长而增大,吸附速率随时间延长降低,各土壤的吸附平衡时间介于800-1000min;各改良土壤对Mn2+的吸附容量随Mn2+初始浓度增大而增大,随着Mn2+初始浓度从50 mg·L-1增大到300 mg·L-1时,各MBC添加比例的改良土壤对Mn2+的吸附容量分别增大了180、181、182、197和259%;在任一Mn2+初始浓度下,土壤吸附容量均随着MBC添加比例的增大而增大,在Mn2+初始浓度分别为50、100、150、200、250和300 mg·L-1时,随着MBC添加比例从0增至10%,土壤对Mn2+的吸附容量分别增大了60、92、80、69、86、108%。动力学吸附模型的拟合表明改良土壤吸附Mn2+属于物理化学双重作用;等温吸附模型的拟合表明改良土壤对Mn2+的吸附属于发生在非均匀表面的多层吸附。FTIR和XRD分析证实天然土壤中的Si O2通过水解作用与Mn2+结合生成了Mn2Si O4以此完成对Mn2+的吸附;结合Pearson相关系数的计算,推测MBC的掺入增加了土壤的含氧官能团、改善了土壤的理化性质(pH、TOC、表面构造),从而强化了土壤对Mn2+的吸附。(3)MBC抑制了Mn2+在土壤中的运移。与将MBC填充在柱上层或将MBC和土壤均匀混合相比,将MBC填充在柱下层对Mn2+运移的抑制效果最差(P<0.05);随着MBC添加比例从0增大到10%,Mn2+截留率增大了85-106%,Mn2+在土壤中的运移受到的抑制作用显著增大(P<0.05);在Hydrus-1D软件中的平衡模型对保守示踪剂Br-的穿透曲线的拟合和参数反演中,得到了各柱的弥散系数并发现了柱中基本不存在物理非平衡作用;在Hydrus-1D软件中的化学非平衡模型对Mn2+的穿透曲线的拟合和参数反演中,发现了MBC的掺入增大了体系的吸附速率和吸附容量,且Mn2+的运移受到化学非平衡作用的控制;参数敏感性分析发现可交换点位所占比例(f)以及一阶动力学速率常数(α)基本不影响Mn2+的运移,而饱和导水率(Ks)和分配系数(Kd)极大的影响了Mn2+的运移;结合Pearson相关系数的计算,推测MBC的掺入强化了土壤对Mn2+的吸附能力,增大了土壤的Kd,同时降低溶质的下渗流速,减小了土壤的Ks,导致Mn2+在土壤中的运移受到抑制。
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