摘要：

土壤重金属污染得到了世界各国研究者的广泛关注.生物炭是通过热化学处理方法制备的高比表面积富碳固体.生物炭土壤修复技术是通过向土壤中施加生物炭,利用生物炭吸附作用促使土壤中重金属从有效态向残渣态转变的方法.该技术在固碳减排方面具有独特的优势,是极具发展前景的土壤重金属修复技术之一.目前该技术尚处于研发起步阶段.本文通过实验,开展了生物质炭制备及其对土壤重金属(Pb和Zn)吸附性能的研究,论文主要工作和结论如下:以杨树枝(PB),水葫芦(WH)和玉米秸秆(CS)等三种生物质为原料,利用固定床热解实验装置制备了生物炭,采用扫描电镜(SEM-EDS),比表面积及孔隙结构分析,电感耦合等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES),X射线衍射仪(XRD)以及傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)等测试手段对不同种类的生物炭进行了分析与表征,明确了热解温度对生物质焦理化结构的影响.结果表明:随着热解温度的增加,生物炭的微观孔隙结构均发生显著的改变,700℃热解温度下制备的杨树枝炭表现出最佳的孔隙结构.随着热解温度的升高,生物炭中K,Ca和Mg等元素含量逐渐增加,水葫芦炭具有较高的阳离子交换量(CEC).随着热解温度的增加,生物炭表面官能团的种类和数量逐渐越少,水葫芦炭在高温下仍能保留较多的官能团数量和较强的吸收峰强度.利用土壤重金属吸附实验系统,研究了生物炭种类,热解温度和添加量等因素对土壤和溶液中重金属(Pb和Zn)离子的吸附性能.结果表明:在相同热解温度和生物炭添加量的条件下,水葫芦炭对土壤重金属吸附性能最佳,其对土壤中Zn和Pb的吸附率分别为21.83%和44.57%,相应的单位吸附量分别为227.65μg/g和363.76μg/g.随着热解温度升高,生物炭对土壤中Zn和Pb的吸附率逐渐增大.随着添加量增加,杨树枝炭对土壤中Zn和Pb的吸附率呈现先增大后减小的趋势,水葫芦炭对土壤中Zn和Pb的吸附率逐渐增大,单位吸附量逐渐减小.不同生物炭均对溶液中Pb和Zn离子具有良好的吸附能力,其中Pb吸附率接近100%.利用生命周期评价方法(LCA)对生物炭土壤利用的各个生命周期阶段的温室气体减排情况进行评估.结果表明,三种生物质均表现了积极的固碳减排效果.其温室气体减排值分别为1196.78,1068.81和1272.03 kgC02e/t.生物炭的碳封存对整个生命周期的缓解温室气体排放贡献最大,生物炭的田间施用过程排放的温室气体最多.以提高作物产量10%为基准,生物炭施加到土壤中可以产生收益30.21～348.28元庙,其中蔬菜产生的收益最多,达到348.28元/亩.以土壤重金属吸附率20%为基准,生物炭施加到土壤中可以减少土壤重金属(Pb和Zn)污染经济损失量,其值最高可达237万元/年.

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