生物焦对三种有机污染物的吸附机制及土壤修复机理研究

【Contents】Biochar is one of the research hotspot of the resource utilization of agricultural organic solid wastes.In this project,at first by choosing different rich organic carbon solid wastes, a variety of biochars will be prepared by the use of temperature-programmed method; The scanning electron microscope, the X-ray diffraction technology will be used to analyze the structural properties of the biochar，and then by optimizing the production procedure to obtain fine biochars with high adsorption capacity. Secondly，using these biochars, a lot of isothermal and kinetics of adsorption experiments of biochar with different organic contaminants will be taken.The prepared biochar and the adsorption complex were analyzed by the infrared spectroscopy, nuclear magnetic resonance spectroscopy to study the adsorption processes of different organic pollutants on the biochar molecules surface；then to clarify the adsorption mechanism of the biochar with different organic pollutants by combining with the structural characteristics and adsorption properties of the biochars. By deeply analyzing the laws of adsorption-desorption of organic pollutants with biochar in soil, and soil remediation experiments will be taken,it will reveal the soil organic pollution remediation mechanism during the application of biochars，and clarify the biological purification ability and mechanism of organic pollutants on soil. 【Significance】 This project uses a variety of modern analytical means to deepen the study of the biochar, to study the intrinsic relationship between the structural characteristics and their adsorption mechanism of organic contaminants on the microscale level, clarify the purification ability and remediation mechanism of organic pollutants with biochar in soil, provide a theoretical basis and methods of remediation for soil organic pollution, and promote the application of biochar.

【内容】生物焦是农业有机固体废气物资源化利用的研究热点之一。本项目通过选择不同来源的高有机碳固体废弃物，采用程序升温法来制备多种生物焦，利用先进的电子扫描技术、X衍射技术分析生物焦的结构特性，进而通过优化制作过程生产高吸附性能的生物焦；然后将生物焦与2,4-D，莠去津，苯进行等温和动力学吸附实验以及土壤修复实验，并对吸附前后的生物焦与污染物的复合物进行红外光谱、核磁共振等光谱分析，剖析生物焦对不同有机污染物的表面吸附过程；结合生物焦的结构特征和吸附特性，弄清生物焦对不同类型有机污染物的吸附机制，深入分析生物焦对土壤中不同有机污染物吸附-解吸规律，揭示其对土壤有机污染的净化修复机理。【意义】本项目利用多种现代分析手段深化生物焦的研究，从微观分子水平上研究生物焦结构特性与其吸附机制之间的内在关系，阐明生物对土壤有机污染的净化能力和机理，为土壤有机污染修复提供理论依据和方法，促进生物焦的应用。

本项目选择不同来源的高有机碳固体废弃物，采用程序升温法来制备多种生物焦，利用电镜扫描、元素分析、比表面分析、光谱分析等手段揭示了不同生物焦的结构特性，通过加入活化剂、酸洗、温度梯度等措施优化生物焦的表面特性，筛选出了高吸附性能生物焦；然后将生物焦与不同类型的有机污染物进行等温和动力学吸附实验以及土壤修复实验，并对吸附前后的生物焦与污染物的复合物进行红外光谱、核磁共振等光谱分析，构建了生物焦分子结构模型，剖析了生物焦对不同有机污染物的表面吸附过程，揭示了生物焦对不同类型有机污染物的吸附机制，探讨了生物焦对不同质地土壤中有机污染的净化修复机制和能力。 结果表明：生物焦的特性明显受原材料来源的影响，秸秆生物焦含C量最高，杨树叶生物焦含H和N量最高，污泥生物焦的灰分含量最高。不同制备温度对生物焦性能有显著影响，随着温度的升高，生物焦的芳香性增强，生物焦比表面增大，吸附容量升高；制备时添加不同比例碳酸钾可改变生物焦的表面性质，扫描电镜发现热解温度较高导致活化生物焦（KBC）孔壁碎片化，微孔数量、孔隙密度和比表面积均随热解温度的升高而提高，KBC600的比表面积是BC600的6倍；酸洗处理显著改变生物焦表面官能团振动峰，并能够增加其表面孔容及中孔数量，提高了生物焦对2,4-D的吸附量。批量吸附实验表明不同生物焦对十二烷基苯磺酸（DBSA）、2,4-D的吸附等温曲线均符合Frendlich模型；对萘的吸附符合Langmuir模型。生物焦对DBSA的吸附主要通过-C-H烃基端吸附到生物焦上，而2,4-D、阿特拉津的吸附过程中产生了氢键且存在静电作用，对萘的吸附主要以物理吸附为主。溶液离子强度能够显著影响生物焦对阿特拉津的吸附特性；随溶液pH增大生物焦对阿特拉近的吸附量增加，而减小生物焦颗粒细度能够增加对阿特拉津的吸附能力；KBC对萘的亲和度和吸附容量随着热解温度升高而增强。利用裂解化学和计算化学原理，初步构建不同来源生物焦的3D分子结构模型，并进行了C-13核磁共振谱验证；生物焦对土壤中阿特拉津的吸附特性研究表明，施加生物焦能够显著提高壤土对污染物吸附量，且颗粒越小效果越好；利用微孔滤膜包裹的生物焦作为土壤阿特拉津污染的修复剂，对阿特拉津等污染壤土具有较好的修复效果。