苧麻及其生物炭對重金屬和磷酸鹽的污染控制研究.pdf

1、重金屬和營養(yǎng)鹽成為當(dāng)前最受關(guān)注的兩類水體污染物。重金屬和營養(yǎng)鹽廢水的大量排放，不僅造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染，同時也導(dǎo)致資源的極大浪費(fèi)。傳統(tǒng)的廢水處理方法常以巨大的能量消耗為代價而達(dá)到去除污染物的目的，存在投資大、運(yùn)行成本高及產(chǎn)生二次污染等一系列問題。隨著全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，廢水處理逐漸向環(huán)境友好、高效廉價及資源回收利用的主流方向發(fā)展。其中，以植物材料為主體的生物修復(fù)技術(shù)具有原料廉價易得、操作簡便、處理效果佳、生態(tài)效益良好等獨(dú)特優(yōu)勢，

2、在處理水中重金屬和營養(yǎng)鹽污染物方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　苧麻是我國所特有的一種對重金屬具有較強(qiáng)富集能力和生理耐性的經(jīng)濟(jì)作物，然而其種植生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的大量苧麻桿廢料造成了環(huán)境污染和有效資源的浪費(fèi)。本文以苧麻為研究對象，旨在依靠苧麻活體植株的新陳代謝或非活體麻桿材料的吸附特征，以去除廢水中的典型重金屬離子和磷酸鹽污染物，充分發(fā)揮苧麻資源的生產(chǎn)潛力以實(shí)現(xiàn)廢水處理與資源化利用的最佳效益。本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論包括:
　　(1

3、)通過水培實(shí)驗(yàn)考察不同時段內(nèi)外源亞精胺對鎘(Cd)脅迫苧麻生理代謝、膜脂過氧化和抗氧化系統(tǒng)的影響，探究苧麻對Cd的耐性水平及外源亞精胺對其抗氧化機(jī)制的強(qiáng)化效應(yīng)，結(jié)果顯示短時（7天）Cd脅迫將提升苧麻葉片內(nèi)光合色素、可溶性蛋白和可溶性糖分子代謝水平，促進(jìn)部分抗氧化物的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，并使得苧麻體內(nèi)膜脂過氧化程度呈下降趨勢。短時Cd脅迫下，外源亞精胺的主要作用在于提升苧麻體內(nèi)還原型谷胱甘肽(GSH)的含量，然而對于其大分子物質(zhì)含量及抗氧化酶活性并

4、無明顯效用。隨著苧麻體內(nèi)Cd積累量的不斷增多，長時（15天）Cd脅迫造成苧麻生長抑制、光和色素等大分子物質(zhì)流失、膜脂過氧化加劇和抗氧化系統(tǒng)失衡;通過外源亞精胺的施加可維持苧麻體內(nèi)大分子物質(zhì)的穩(wěn)定性并抑制其氧化分解，保持各類抗氧化物如過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、蘋果酸脫氫酶(MDH)和GSH的活性及數(shù)量，降低細(xì)胞內(nèi)膜脂過氧化程度，從而有效緩解Cd積累所造成的氧化傷害。以上水培實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明苧麻活體植株對Cd脅迫的忍耐閾值有限

5、，通?？蛇m用于輕中度Cd污染的修復(fù);通過添加適量外源亞精胺可調(diào)節(jié)苧麻大分子代謝和抗氧化系統(tǒng)，從而提升苧麻耐Cd性能，為其在高強(qiáng)度Cd污染修復(fù)中的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。
　　(2)將苧麻桿廢料在不同溫度下(300-600℃)無氧熱解，以研究六價鉻(Cr(Ⅵ))吸附機(jī)制與生物炭理化性質(zhì)間的相互關(guān)系。吸附實(shí)驗(yàn)顯示高溫?zé)峤鈺偈股锾糠枷憬Y(jié)構(gòu)的形成，并削減表面官能團(tuán)含量，從而限制Cr(Ⅵ)離子吸附。Cr(Ⅵ)吸附機(jī)制包含了物理靜電吸引以及化學(xué)

6、離子反應(yīng)。對于低溫生物炭來說，物理靜電吸附有限，Cr(Ⅵ)吸附量的提升主要是源于低溫生物炭表面豐富的羧基及羥基。Cr(Ⅵ)離子的吸附還原可分為以下兩個步驟:首先，Cr(Ⅵ)離子被表面帶正電荷的苧麻生物炭吸引，并還原成三價鉻(Cr(Ⅲ));隨后，一部分Cr(Ⅲ)在生物炭表面發(fā)生共沉淀作用或與官能團(tuán)結(jié)合生成絡(luò)合物，另一部分釋放至水體中。以上表明，苧麻農(nóng)田殘留物可制成低廉有效的生物炭吸附劑，用于水體中六價鉻離子的去除。
　　(3)采用β

7、-環(huán)糊精與聚L-谷氨酸混合物對苧麻生物炭進(jìn)行表面修飾以提高其對廢水中Cr(Ⅵ)的吸附容量。通過傅里葉紅外光譜(FTIR)和X射線光電子能譜(XPS)對原始生物炭和改性生物炭（CGA-生物炭）進(jìn)行表征分析，結(jié)果顯示β-環(huán)糊精/聚L-谷氨酸混合物富含極性官能團(tuán)且可成功附著于苧麻生物炭表面。借助批量吸附實(shí)驗(yàn)探討CGA-生物炭對Cr(Ⅵ)的吸附動力學(xué)與熱力學(xué)行為、pH和背景電解質(zhì)等因素對其吸附性能的影響及CGA-生物炭解吸再生性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

8、，CGA-生物炭對Cr(Ⅵ)的吸附能力遠(yuǎn)高于原始生物炭，其最大吸附量在pH值為2.0時可達(dá)到200.81mg g-1。同時，初始溶液pH值和背景電解質(zhì)中陽離子種類與離子強(qiáng)度可在一定程度上影響CGA-生物炭對Cr(Ⅵ)的吸附。此外，CGA-生物炭經(jīng)多輪循環(huán)再生后仍保持較強(qiáng)的吸附能力與穩(wěn)定性。因而，CGA-生物炭在高濃度Cr(Ⅵ)廢水治理中具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　(4)利用氯化鈣溶液改性苧麻桿生物質(zhì)以制備鈣改性苧麻生物炭(Ca-RS

9、B)，進(jìn)一步研究其對磷酸鹽的去除效率和機(jī)理。通過元素分析、掃描電子顯微鏡(SEM)、BET比表面積分析、X射線光電子能譜分析(XPS)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分析和Zeta電位分析等方法分析Ca-RSB材料的基本特征和性質(zhì)。表征結(jié)果顯示Ca-RSB的H/C比率、總孔容和BET比表面積均高于原始生物炭(RSB)，且其表面官能團(tuán)種類和數(shù)量與RSB相比明顯增多。此外，Ca-RSB產(chǎn)率(50.8％)較RSB(28.0％)有大幅提升。一系

10、列的對比實(shí)驗(yàn)表明Ca-RSB的吸附能力顯著高于RSB，且其吸附量約為RSB的兩倍。Ca-RSB吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合擬二級動力學(xué)方程和Langmuir等溫線模型。內(nèi)擴(kuò)散和Boyd模型分析表明膜擴(kuò)散為初始吸附的主要速率控制步驟，隨后其他擴(kuò)散形式（如顆粒內(nèi)擴(kuò)散）成為吸附速率控制步驟。低pH條件下，Ca-RSB吸附磷酸鹽的主要動力為靜電吸引力，而高pH條件下則主要依靠氫鍵和表面沉積。綜上表明Ca-RSB是一種具有潛力的、高效且廉價的吸附劑，可有效去