生物炭對(duì)西唯因與阿特拉津環(huán)境行為的影響.pdf

1、生物炭是動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)缺氧熱解形成的一種富含碳物質(zhì)，由于在生物質(zhì)資源化、減緩氣候變化、提高土壤肥力等諸方面表現(xiàn)出的良好潛能，生物炭作為一種新型多功能材料迅速成為研究的熱點(diǎn)。由于含有多孔及高度芳香結(jié)構(gòu)，生物炭對(duì)各類污染物表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力，必將影響其環(huán)境行為、歸宿及生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
　　本論文系統(tǒng)研究了不同結(jié)構(gòu)生物炭對(duì)兩種典型農(nóng)藥—阿特拉津和西維因的吸附、水解及微生物降解等環(huán)境行為的影響及其微觀機(jī)制。首先，利用豬糞、玉米秸稈、水稻秸稈等三

2、種農(nóng)業(yè)廢棄物，通過不同的熱解溫度制備了物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)不同的生物炭并對(duì)生物炭進(jìn)行了除灰處理，得到性質(zhì)各異生物炭十余種，對(duì)不同生物炭的有機(jī)與無機(jī)部分的含量、化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)特征;孔性質(zhì)與比表面積等性質(zhì)進(jìn)行了表征。在此基礎(chǔ)上，研究了不同種類生物炭對(duì)兩種農(nóng)藥的吸附作用機(jī)理，深入探討了生物炭有機(jī)部分、無機(jī)部分、孔結(jié)構(gòu)及生物碳表面化學(xué)作用等在吸附過程中所起的作用。研究了不同種類生物炭對(duì)兩種農(nóng)藥的水解催化作用，通過逐步分析背景溶液，生物炭懸濁液以及生物

3、炭浸出液中農(nóng)藥的水解，從OH-、表面礦物以及金屬離子等方面探討生物炭促進(jìn)農(nóng)藥水解的機(jī)理。研究了生物炭對(duì)土壤中農(nóng)藥降解的影響，并向生物炭與土壤混合體系中接種篩選的對(duì)農(nóng)藥降解特異性微生物菌群，以促進(jìn)土壤中農(nóng)藥的生物降解，通過不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，綜合分析了生物炭對(duì)土壤中農(nóng)藥去除的影響及途徑。通過以上研究得到以下結(jié)論:
　　(1)生物炭由脂肪炭和芳香碳組成的有機(jī)部分，以及磷酸鹽、碳酸鹽和其他無機(jī)礦物組成的無機(jī)部分共同構(gòu)成。有機(jī)碳表面含有羥基，

4、羧基以及羰基等基團(tuán)。不同原料和溫度制備的生物炭物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)有較大差異。豬糞制備的生物炭含有較高的灰分，而秸稈制備的生物炭灰分較低，且溫度越高灰分含量越多。而高溫使生物炭孔比例增加，比表面積顯著升高。
　　(2)生物炭可有效地吸附西維因，吸附等溫線符合Freundlich方程，且吸附表現(xiàn)為非線性。低濃度時(shí)，初級(jí)生物炭有機(jī)碳標(biāo)化分配系數(shù)（Koc）為102.65-104.48L/kg。除灰后生物炭的吸附性能顯著提高，低濃度時(shí)Koc為1

5、03.64-104.74L/kg。不同來源和溫度制備的生物炭組成和結(jié)構(gòu)具有差異性，其對(duì)西維因的吸附能力和吸附機(jī)制不同。豬糞生物炭(PBC)中無機(jī)部分對(duì)吸附的綜合作用表現(xiàn)為阻礙作用;而玉米秸稈生物炭(MBC)和水稻秸稈生物炭(RBC)中無機(jī)部分在低溫時(shí)表現(xiàn)為阻礙作用，而高溫時(shí)表現(xiàn)出促進(jìn)作用。生物炭對(duì)西維因的吸附是疏水性作用、孔填充作用、無機(jī)灰分以及特殊作用力等綜合作用的結(jié)果，生物炭對(duì)西維因的吸附親和性與生物碳的極性，芳香度以及疏水基團(tuán)等單

6、—因素沒有明顯的相關(guān)性。
　　(3)生物炭對(duì)阿特拉津的等溫吸附也表現(xiàn)為非線性吸附，但吸附親和能力要弱于對(duì)西維因的吸附。高濃度時(shí)初級(jí)生物炭的Koc為101.90-103.10 L/kg。除灰后生物炭的吸附性能顯著提高，高濃度時(shí)Koc為102.63-103.10L/kg。生物炭對(duì)阿特拉津的吸附是疏水性作用、孔填充作用、無機(jī)灰分以及特殊作用力等綜合作用。與生物炭對(duì)西維因的吸附作用類似，生物炭對(duì)阿特拉津的吸附親和與生物炭的極性沒有明顯的相

7、關(guān)性。
　　(4)西維因在堿性(pH=9.1)條件下水解迅速，18h就水解80％以上;而在中性條件下較穩(wěn)定。不同生物炭懸濁液中西維因的水解差異很大，7d水解率為21.9％-90.6％，西維因在生物炭懸濁液中的水解與體系pH呈正相關(guān)。除了pH對(duì)于水解的催化作用外，生物炭表面礦物以及釋放到溶液中的過渡金屬離子都可促進(jìn)水解，而吸附降低了西維因分子的可及性，減弱水解。西維因在各生物炭實(shí)驗(yàn)組中的水解動(dòng)力學(xué)過程大部分符合擬一級(jí)過程。
　

8、　(5)阿特拉津在環(huán)境中較穩(wěn)定，在堿性(pH=9.1)條件下，7d水解率僅為16.1％。阿特拉津在生物炭懸濁液中的水解程度比西維因弱，7d僅水解了2.6％-63.4％。阿特拉津的水解與生物炭的無機(jī)部分含量呈正相關(guān)。阿特拉津在生物炭懸濁液中的水解主要受生物炭表面和pH的影響，而金屬離子的對(duì)水解的貢獻(xiàn)較差。阿特拉津在各生物炭實(shí)驗(yàn)體系中的水解動(dòng)力學(xué)過程大部分符合擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)。
　　(6)在滅菌的生物炭-土壤體系中，土壤pH升高，農(nóng)藥的降

9、解主要是生物炭的催化水解作用。土壤中農(nóng)藥的降解趨勢表現(xiàn)為PBC＞RBC＞MBC，與懸濁液中農(nóng)藥的水解趨勢類似。未滅菌體系中，化學(xué)降解與微生物降解并存，添加高含量的高溫生物炭的土壤pH的升高更顯著，催化了水解，降低了土著微生物的降解能力，因此，農(nóng)藥的降解主要為水解。而添加高含量的低溫生物炭的土壤，吸附作用降低了農(nóng)藥的生物有效性，對(duì)土壤中農(nóng)藥的降解有阻礙作用。而添加有機(jī)碳含量高的MBC，對(duì)土壤pH改變較小，為微生物提供所需的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)微