生物質炭中SO42-的釋放及生物質炭對黃土吸附SO42-的影響研究.pdf

1、硫不僅是供給作物生長所必需的營養(yǎng)元素之一，而且也是植物體內(nèi)許多重要組分的組成元素，其對植物的生長起著至關重要的作用。目前，土壤缺硫或潛在缺硫給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失，并且對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅。生物質炭(Biochar)是生物質在部分或完全限氧條件下，經(jīng)過高溫熱解炭化制備的一類具有高度芳香化、難溶性的富碳物質。在應用于提高土壤碳庫容量、減少土壤中氮磷的淋溶、修復污染土壤以及緩解全球氣候變暖等方面具有廣闊的應用前景。生物質炭本身含有比較

2、豐富的營養(yǎng)元素，其中所含硫有望作為外源硫，豐富土壤硫組分，而生物質炭的組成和性質與生物質來源、熱解條件密切相關。因此，迫切需要探明生物質炭中硫含量、存在形態(tài)與生物質組成和熱解溫度之間的關系。同時，生物質炭因其孔洞結構、表面電荷和表面官能團等特征而具有良好的吸附性能，將其施入土壤后，不僅對土壤的結構和性質產(chǎn)生影響，也必將影響影響營養(yǎng)元素的遷移轉化行為及其植物有效性。然而，目前關于生物質炭影響土壤營養(yǎng)元素環(huán)境行為的研究多集中于氮、磷、鉀等，

3、因此，系統(tǒng)研究不同組成和結構的生物質炭存在下可溶性硫化合物的吸附作用具有重要意義。
　　本文選擇玉米秸稈和牛糞作為原材料，在三種熱解溫度下制備得到生物質炭，探明生物質炭中硫形態(tài)、含量與生物質組成和熱解溫度之間的關系，考察了水-生物質炭體系下可溶性硫酸鹽的釋放，重點研究了生物質炭施加進黃土后可溶性硫酸鹽的吸附作用，討論吸附機理，具體研究結果如下:
　　(1)分別在300℃、500℃和700℃下熱解兩種生物質制備生物質炭（分別標

4、記為CSBC300、CSBC500、CSBC700、DMBC300、DMBC500和DMBC700，其中CSBC代表玉米秸稈生物質炭，DMBC代表牛糞生物質炭）。通過元素分析和比表面積測定，結合掃描電鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、X-射線衍射(XRD)等分析手段，探究生物質來源和熱解溫度對生物質炭性質的影響。隨著制備溫度的升高，CSBC和DMBC的灰分含量升高，比表面積增大，表面孔道變得無序、粗糙，生物質炭中非極性脂肪官

5、能團減少而芳香性增加。由XRD圖譜可知，CSBC和DMBC表現(xiàn)出很高的晶型結構，且DMBC在石英特征峰強度明顯更大，并含有較多的礦物特征峰。
　　探討了生物質炭中硫形態(tài)、含量與熱解溫度和生物質組成之間的關系，并且在水-生物質炭體系下，考察了生物質炭中可溶性硫酸鹽的釋放。結果表明，生物炭中不同形態(tài)硫含量與生物質組成和熱解溫度密切相關。CSBC和DMBC隨著熱解溫度的升高，CSBC和DMBC中可溶性硫酸鹽含量占總硫含量的比例下降，而有

6、機硫含量占總硫含量的比例增大。CSBC500相比較CSBC300而言總硫含量損失了約21％，而DMBC500較DMBC300而言，總硫含量損失了約16％。在同一溫度下制備的兩種生物質炭中，CSBC中可溶性硫酸鹽含量高于DMBC。
　　(2)在水溶液體系下，進行批平衡實驗來探究反應時間，溶液的初始pH值和添加Hoagland營養(yǎng)液(HNS)對生物質炭中SO42-釋放的影響。準二級動力學模型可以很好的擬合釋放動力學數(shù)據(jù)，在初始2小時內(nèi)

7、，CSBC300中SO42-的釋放量約12.2 mg/g，而CSBC700中SO42-的釋放量約為2.86 mg/g。 pH對SO42-的釋放有不同的影響，S O42-的釋放可能與不同溫度下生成的生物質炭中硫形態(tài)的含量有關。HNS的加入導致溶解硫酸鹽和過量的Ca2+和Mg2+之間形成沉淀物而導致SO42-釋放量的減少。
　　(3)選擇了在水體系下SO42-的釋放量最少的CSBC700和DMBC700兩種生物質炭，采用批量平衡實驗法

8、，探究將其施加進黃土中對SO42-吸附的影響?？疾炝朔磻獣r間、初始SO42-溶液濃度、反應溫度和溶液初始pH值對SO42-吸附過程的影響，并且利用紅外光譜、X射線衍射等分析手段對吸附前后的生物質炭和黃土分別進行了表征分析。結果表明:黃土對的SO42-的吸附速率最大，最先達到吸附平衡;CSBC700、DMBC700、黃土-生物質炭(CSBC700+Loess、DMBC700+ Loess)和黃土(Loess)對SO4>的吸附動力學數(shù)據(jù)模型

9、更符合準二級動力學方程，并且準二級動力學方程計算出來的理論吸附量分別為2.56、3.26、3.61、3.55、3.56和3.61 mg/g; Langmuir等溫方程能更好地描述CSBC700、DMBC700、CSBC700+Loess、DMBC700+ Loess和Loess對SO42-的吸附行為;生物質炭、黃土以及黃土-生物質炭對S O42-的吸附反應為自發(fā)吸熱反應，并且在此實驗條件下，DMBC700對SO42-的吸附較CSBC70

10、0更容易進行;隨著溶液初始pH的增加，CSBC700、DMBC700、CSBC700+ Loess、DMBC700+ Loess和Loess對SO42-的吸附量均呈現(xiàn)下降的趨勢。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)的分析并且結合FTIR和XRD的表征討論可以得出，CSBC700、DMBC700、CSBC700+ Loess、DMBC700+Loess和Loess對SO42-的吸附行為以化學吸附為主，其中，CSBC700和DMBC700對SO42-的吸附機制主要