生物炭的制備、表征及其對淡灰鈣土吸附-解吸硫的影響研究.pdf

1、生物炭(Biochar)一般是指生物質(zhì)（如秸稈、農(nóng)產(chǎn)品加工殘?jiān)?、畜禽類糞便等農(nóng)林廢棄物）的不完全燃燒或在缺氧條件下熱解所產(chǎn)生的穩(wěn)定的富碳產(chǎn)物，具有非常豐富的孔洞結(jié)構(gòu)、表面官能團(tuán)和表面電荷等特征，比表面積大，吸附性能強(qiáng)，輸入土壤后將影響土壤營養(yǎng)元素的界面過程和遷移性。此外，生物炭本身含有較豐富的礦質(zhì)元素，能促進(jìn)植物的生長發(fā)育。生物炭作為一類新型的環(huán)境功能及土壤改良材料，不僅為農(nóng)林廢棄物質(zhì)的資源化再利用提供了新思路，而且在對作物栽培和土壤養(yǎng)

2、分固持等方面顯現(xiàn)出巨大的潛力?？梢灶A(yù)見生物炭對減少溫室氣體排放、土壤改良、土壤污染控制等應(yīng)用中帶來巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，并在生態(tài)學(xué)、土壤學(xué)和農(nóng)林生產(chǎn)方面將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。
　　近年來，隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，作物從土壤-植物系統(tǒng)中帶走的硫越來越多，而向該系統(tǒng)中投入的外源硫的量卻在減少，導(dǎo)致土壤的缺硫面積不斷增大。我國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈和動(dòng)物糞便資源非常豐富，但是對它們的資源化利用的技術(shù)還比較滯后，造成了生物質(zhì)資源的浪費(fèi)。為

3、了解決生物質(zhì)資源的浪費(fèi)，提高生物質(zhì)的資源化利用，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其中生物炭的加工和在環(huán)境方面的利用是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，國內(nèi)外有關(guān)馬鈴薯秸稈和豬糞生物炭吸附硫方面的研究在已發(fā)表的文獻(xiàn)中還鮮見報(bào)道研究。本研究采用馬鈴薯秸稈和豬糞為生物質(zhì)材料，分別在300、500和700℃下熱解炭化得到生物炭(分別標(biāo)記為BPS300、BPS500、BPS700、BSM300、BSM500和BSM700)。經(jīng)過優(yōu)選，選擇BPS700和BSM

4、700進(jìn)行后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。通過掃描電鏡、比表面及孔結(jié)構(gòu)等方法對生物炭和淡灰鈣土(LS)進(jìn)行表征，明確吸附劑主要元素的組成和形貌特征。采用批平衡法研究生物炭、淡灰鈣土以及加炭的淡灰鈣土在不同時(shí)間、pH、濃度、溫度等因素下對硫酸根離子吸附解吸的影響，為區(qū)域土壤生物炭應(yīng)用、硫肥的施用及調(diào)控、保障農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量提供理論依據(jù)。主要結(jié)論如下:
　　(1)生物炭的灰分、產(chǎn)率跟炭化溫度緊密相關(guān)，BPS和BSM的灰分都隨著炭化溫度的升高而增多，而產(chǎn)率

5、出現(xiàn)相反的趨勢。BPS的芳香化程度更高，而BSM的極性以及親水性更強(qiáng)。隨制備溫度升高，BPS、BSM對硫酸根的吸附量都隨之增大，所以選擇BPS700和BSM700進(jìn)行后續(xù)研究。BPS700和BSM700的比表面積大到小的順序是BPS700＞BSM700，而平均孔徑有較大的區(qū)別為BSM700＞BPS700。通過電鏡掃描可以看出淡灰鈣土沒有明顯的微孔結(jié)構(gòu)，BPS700有更多細(xì)小的微孔結(jié)構(gòu)，BSM700主要是團(tuán)狀的固態(tài)結(jié)構(gòu)。BPS700和BS

6、M700里面都有-OH、-COOH以及R-COO-R'，而LS淡灰鈣土里面有大量的有機(jī)質(zhì)和礦物元素。
　　(2)研究了BPS700、BSM700、淡灰鈣土以及加炭的淡灰鈣土(標(biāo)記為BPS700+LS、BSM700+LS)對SO42-的吸附特性。結(jié)果表明，BPS700、LS、BPS700+LS、BSM700以及BSM700+LS對硫酸根離子的吸附量隨吸附時(shí)間的延長而增大，最后各自達(dá)到吸附平衡。在剛開始的兩小時(shí)內(nèi)，五種吸附劑對SO42

7、-的吸附速率非?？?，八小時(shí)后各自基本達(dá)到平衡，符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。五種吸附劑對硫的吸附量均隨初始濃度的增大而增大，Langmuir-Freundlich方程和Temkin方程擬合數(shù)據(jù)后的相關(guān)性更高。五種吸附劑對SO42-的吸附是一個(gè)吸熱熵增的自發(fā)過程，升高溫度，有利于它們對SO42-的吸附。升高pH，SO42-的吸附量減小，而吸附量仍是LS＞BPS700+LS＞BSM700+LS＞BPS700＞BSM700，共存陰離子NO3-對硫酸根

8、吸附的影響不大。
　　(3)研究了BPS700、LS、BPS700+LS、BSM700以及BSM700+LS對硫酸根離子的解吸特性。結(jié)果表明，隨著時(shí)間的延長五種吸附劑對硫酸根的解吸量增加，最后達(dá)到解吸平衡?；径荚?h左右達(dá)到解吸平衡，且硫酸根的解吸量大小順序?yàn)長S＞BPS700+LS＞BSM700+LS＞BPS700＞BSM700，解吸動(dòng)力學(xué)都符合擬二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。隨著初始吸附濃度的增大，五種吸附劑對硫酸根的解吸量慢慢增大。當(dāng)溶