生物質(zhì)炭存在下淡灰鈣土對SO42-的吸附作用及土柱中SO42-遷移的模擬研究.pdf

1、土壤中營養(yǎng)元素的含量及其遷移轉(zhuǎn)化直接影響植物的生長狀態(tài)，充分利用土壤中的營養(yǎng)元素，對于保障糧食產(chǎn)量、控制面源污染具有重要意義。同時(shí)，生物質(zhì)炭具有孔洞結(jié)構(gòu)、表面電荷和表面官能團(tuán)等特征，輸入土壤后不僅對土壤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)產(chǎn)生影響，也必將影響土壤營養(yǎng)元素的界面過程和遷移性，為豐富生物炭減緩營養(yǎng)元素的淋溶損失提供科學(xué)的理論依據(jù)。因此，本文評述了生物質(zhì)炭對植物營養(yǎng)元素的遷移轉(zhuǎn)化的影響，對國內(nèi)外研究狀況進(jìn)行闡述和總結(jié)。選擇油菜秸稈生物質(zhì)為原材料，通過

2、缺氧熱解制備生物質(zhì)炭，研究了生物質(zhì)炭對淡灰鈣土(light sierozem，LS)吸附SO42-的影響及其機(jī)制;重點(diǎn)考察了土柱中SO42-遷移的影響，并利用CXTFIT2.1軟件，擬合SO42-在混合介質(zhì)中遷移的穿透曲線(breakthrough curves，BTCs);分析了淋濾后土柱中無機(jī)硫形態(tài)的變化。研究結(jié)果為區(qū)域生物炭的應(yīng)用、區(qū)域土壤中硫素淋失控制與硫肥施用及調(diào)控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。主要結(jié)果有:
　　(1)采用批平衡實(shí)

3、驗(yàn)法，研究油菜秸稈生物質(zhì)炭(BS600和BS300)、LS和1∶9(w/w)炭土混合物(BS600/BS300-LS)對SO42-的吸附特性。考察了吸附時(shí)間、初始SO42濃度、溫度和pH值對吸附作用的影響，并探討了吸附機(jī)理。結(jié)果表明，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程能較好的擬合BS600、BS300、BS600-LS、BS300-LS和LS對SO42-的吸附過程， LS對SO42-吸附達(dá)到平衡時(shí)所需要的時(shí)間少于其他四種吸附劑。采用Langmuir模型能

4、較好的擬合S O42-吸附等溫線。當(dāng)初始溶液的濃度為500mg·L-1時(shí)，五種吸附劑對SO42-最大吸附量按LS＞BS600-LS＞BS300-LS＞BS600＞BS300(28.63、26.81、23.01、19.57和17.61 mg·g-1)順序下降。BS600和BS300的添加并沒有提高淡灰鈣土對SO42-的吸附能力。熱力學(xué)研究表明五種吸附劑對SO42-的吸附反應(yīng)是自發(fā)的過程。對吸附劑吸附前后的表征表明，BS600和BS300對

5、SO42-的吸附主要是通過靜電作用吸附，而LS對SO42-的吸附主要是靜電作用和形成難溶性的CaSO4沉淀。
　　(2)土柱淋濾實(shí)驗(yàn)研究了BS600和BS300對淡灰鈣土土柱中SO42-遷移特性的影響，考察了土柱高度(5、10、15、和20 cm)、生物質(zhì)炭的投加量（0％、5％、10％和15％）、初始溶液的pH值（3、5、7和9）和初始溶液的濃度(50、100、150和200 mg·L-1)對遷移過程的影響。結(jié)果表明，對非反應(yīng)性溶

6、質(zhì)Br-在多孔介質(zhì)中的遷移的BTCs為對稱性的，并沒有明顯的拖尾現(xiàn)象。在淡灰鈣土中添加相同比例的BS600和BS300以后，穿透平衡時(shí)孔隙體積沒有顯著的差異。增加生物質(zhì)炭的投加量、土柱高度以及減小初始溶液的pH值和初始溶液的濃度，均會使穿透孔隙體積增大，即穿透時(shí)間延長，可以降低SO42-淋失，增加SO42-在淡灰鈣土中的淋濾時(shí)間?？疾焐镔|(zhì)炭的投加量，土柱高度、初始溶液的pH值和濃度時(shí)，反應(yīng)性溶質(zhì)SO42-在多孔介質(zhì)中的BTCs均呈現(xiàn)非

7、對稱性，且存在拖尾現(xiàn)象。
　　(3)利用CXTFIT2.1軟件，采用非平衡對流彌散方程(CEDnoneq)的兩區(qū)模型(TRM)能夠較好的擬合溶質(zhì)遷移的BTCs。當(dāng)添加不同比例的BS600和BS300后，用CDEeq擬合非反應(yīng)性溶質(zhì)Br-在土柱中的遷移獲得水動(dòng)力彌散參數(shù)(D)，其值分別在0.47-0.11和0.48-0.79之間變化。用CXTFIT2.1軟件擬合反應(yīng)性溶質(zhì)SO42-的BTCs，并且運(yùn)用批平衡實(shí)驗(yàn)獲得的阻滯因子(R1、

8、R2）和模型獲得的參數(shù)(Rmod)均能較好擬合反應(yīng)性溶質(zhì)遷移的BTCs，表明非平衡兩區(qū)模型能夠準(zhǔn)確的描述SO42-在土壤中的遷移。兩區(qū)模型擬合獲得的傳遞系數(shù)（ω)值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于100，表明吸附點(diǎn)位差異造成的非平衡性對SO42-在混合介質(zhì)中遷移起著主導(dǎo)作用;分行系數(shù)（β)值小于1，表明溶質(zhì)的吸附反應(yīng)存在著速率限制過程，一階動(dòng)力學(xué)速率系數(shù)(a)并沒有明顯的變化規(guī)律。
　　(4)對淋濾后土柱中SO42-的形態(tài)分析表明，在淡灰鈣土中添加BS

9、600并淋濾后，水溶性硫(H2O-S)、吸附態(tài)硫(adsorbed-S)和鹽酸可溶性硫（HCl-S）含量均隨著土柱高度和初始溶液的pH值的增大而增加。當(dāng)土柱高度為19.7 cm、生物質(zhì)炭的含量為15％、初始溶液pH值為9.01和濃度為50 mg·L-1時(shí)，總無機(jī)硫的含量分別為115.42、106.52、131.34和89.47 mg·kg-1。在淡灰鈣土中添加BS300并淋濾后，H2O-S、adsorbed-S和HCl-S含量與BS30