生物炭的制备、表征及其对淡灰钙土吸附—解吸硫的影响研究
作者单位：兰州交通大学
学位级别：硕士
导师姓名：钟金魁
授予年度：2017年
学科分类：082802[工学-农业水土工程] 08[工学] 0828[工学-农业工程]
摘 要：生物炭(Biochar)一般是指生物质(如秸秆、农产品加工残渣、畜禽类粪便等农林废弃物)的不完全燃烧或在缺氧条件下热解所产生的稳定的富碳产物,具有非常丰富的孔洞结构、表面官能团和表面电荷等特征,比表面积大,吸附性能强,输入土壤后将影响土壤营养元素的界面过程和迁移性。此外,生物炭本身含有较丰富的矿质元素,能促进植物的生长发育。生物炭作为一类新型的环境功能及土壤改良材料,不仅为农林废弃物质的资源化再利用提供了新思路,而且在对作物栽培和土壤养分固持等方面显现出巨大的潜力。可以预见生物炭对减少温室气体排放、土壤改良、土壤污染控制等应用中带来巨大的社会经济效益,并在生态学、土壤学和农林生产方面将会有更加广阔的应用前景。近年来,随着我国农业的发展,作物从土壤-植物系统中带走的硫越来越多,而向该系统中投入的外源硫的量却在减少,导致土壤的缺硫面积不断增大。我国作为农业大国,农作物秸秆和动物粪便资源非常丰富,但是对它们的资源化利用的技术还比较滞后,造成了生物质资源的浪费。为了解决生物质资源的浪费,提高生物质的资源化利用,国内外学者进行了系统的研究,其中生物炭的加工和在环境方面的利用是目前的一个研究热点。然而,国内外有关马铃薯秸秆和猪粪生物炭吸附硫方面的研究在已发表的文献中还鲜见报道研究。本研究采用马铃薯秸秆和猪粪为生物质材料,分别在300、500和700℃下热解炭化得到生物炭(分别标记为BPS300、BPS500、BPS700、BSM300、BSM500和BSM700)。经过优选,选择BPS700和BSM700进行后续的实验。通过扫描电镜、比表面及孔结构等方法对生物炭和淡灰钙土(LS)进行表征,明确吸附剂主要元素的组成和形貌特征。采用批平衡法研究生物炭、淡灰钙土以及加炭的淡灰钙土在不同时间、pH、浓度、温度等因素下对硫酸根离子吸附解吸的影响,为区域土壤生物炭应用、硫肥的施用及调控、保障农产品产量与质量提供理论依据。主要结论如下:(1)生物炭的灰分、产率跟炭化温度紧密相关,BPS和BSM的灰分都随着炭化温度的升高而增多,而产率出现相反的趋势。BPS的芳香化程度更高,而BSM的极性以及亲水性更强。随制备温度升高,BPS、BSM对硫酸根的吸附量都随之增大,所以选择BPS700和BSM700进行后续研究。BPS700和BSM700的比表面积大到小的顺序是BPS700BSM700,而平均孔径有较大的区别为BSM700BPS700。通过电镜扫描可以看出淡灰钙土没有明显的微孔结构,BPS700有更多细小的微孔结构,BSM700主要是团状的固态结构。BPS700和BSM700里面都有-OH、-COOH以及R-COO-R’,而LS淡灰钙土里面有大量的有机质和矿物元素。(2)研究了BPS700、BSM700、淡灰钙土以及加炭的淡灰钙土(标记为BPS700+LS、BSM700+LS)对SO的吸附特性。结果表明,BPS700、LS、BPS700+LS、BSM700以及BSM700+LS对硫酸根离子的吸附量随吸附时间的延长而增大,最后各自达到吸附平衡。在刚开始的两小时内,五种吸附剂对SO的吸附速率非常快,八小时后各自基本达到平衡,符合拟二级动力学模型。五种吸附剂对硫的吸附量均随初始浓度的增大而增大,Langmuir-Freundlich方程和Temkin方程拟合数据后的相关性更高。五种吸附剂对SO的吸附是一个吸热熵增的自发过程,升高温度,有利于它们对SO的吸附。升高pH,SO的吸附量减小,而吸附量仍是LSBPS700+LSBSM700+LSBPS700BSM700,共存阴离子NO对硫酸根吸附的影响不大。(3)研究了BPS700、LS、BPS700+LS、BSM700以及BSM700+LS对硫酸根离子的解吸特性。结果表明,随着时间的延长五种吸附剂对硫酸根的解吸量增加,最后达到解吸平衡。基本都在6 h左右达到解吸平衡,且硫酸根的解吸量大小顺序为LSBPS700+LSBSM700+LSBPS700BSM700,解吸动力学都符合拟二级动力学模型。随着初始吸附浓度的增大,五种吸附剂对硫酸根的解吸量慢慢增大。当溶液pH4时硫酸根在生物炭上的解吸量显著增大;而当溶液pH值从2升高到6时,pH对硫酸根在淡灰钙土和加炭的淡灰钙土上的解吸作用影响不大,继续增大溶液pH值,硫酸根在淡灰钙土和加炭的淡灰钙土上的解吸量显著增大。硫酸根离子在淡灰钙土上的解吸量随温度的升高而增大,而对生物炭和炭加土的影响不大。
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