5、论文的理论依据、研究方法、研究内容。
重金属不易降解及易通过食物链积累的特性,使其会对人类健康造成严重威胁,并引起一系列环境问题。因此有效地治理重金属污染的技术和方法函待开发。生物炭孔隙结构丰富,比表面积大,具有不会产生二次污染、高效且成本低廉等特性,在有机和无机污染治理中显示出了很强的实用性和广阔的应用前景。
生物炭的应用既能避免废弃生物质资源的浪费,还能取得良好的环境效益,在去除污染的同时也能改善土壤和固碳减排,这与中国的可持续发展战略相符合。
为了能更好地将生物炭处理重金属污染应用到实践中,需进行大量的实验来证明其有效性,并阐明机制,针对不同的污染情况选取最佳的材料和方法。因此,本次实验将使用不同种类的生物炭(玉米秸秆、小麦秸秆及玉米芯制备的生物炭),研究其对重金属污染的吸附性能,并探究其吸附机制。
在实际情况中,重金属污染往往不是只有一种,而是多种并存的,这可能会引起各离子之间发生竞争吸附作用,对吸附效果产生不利影响。故本次实验选取Cue十和Cd2+离子为代表进行批实验,因为两者价态相同,同属于污染严重的重金属。通过改变溶液pH、吸附剂投加量、反应时间、温度及溶液初始浓度(比)进行吸附实验,通过实验数据分析吸附动力学、吸附等温线、金属的竞争吸附行为,使用比表面积分析仪、FT-IR红外光谱仪、SEM扫描电镜及XRD射线衍射仪对生物炭进行表征,探究吸附机制。并且加入腐殖酸这一天然有机质的代表物质进行研究,为在自然环境中生物炭的应用奠定实验基础。此外,设计土壤柱实验,在酸雨淋滤的情况下研究生物炭的施加对土壤固定重金属的影响,为重金属修复提供一定的参考。
6、研究条件和可能存在的问题。
(1)生物炭基本理化性质的测试方法目前并没有形成统一的标准,本次研究主要是参照土壤的相关测试方法进行分析的,可能不能准确地反映生物炭的各项性质,因此,对生物炭基本性质的测定方法还需要进一步开发研究,便于对比研究。
(2)不同的热解温度也会影响生物炭的性质,本研究中并未对热解温度不同的生物炭进行性质的分析,需要进一步的补充。
(3)研究中未涉及热力学的分析和模拟,这项工作对吸附实验是很重要的,后续还需进行更系统的研究。
(4)实际环境中不仅是两种金属共存,其多为复合污染,包括多种重金属共存以及有机污染物与重金属的共存情况等,本次研究只选取了两种重金属离子作为代表进行了吸附实验,因此随后的工作需要对更复杂的污染情况进行研究,并加入实际环境中的其他因素等,更好地与实际应用结合起来。
7、预期的结果。
(1)实验中所用的三种生物炭的重金属含量均在污染限值以下,不会对环境造成污染。不同原料制备的生物炭性质不同,三种生物炭pH均为碱性,可用作酸性土壤改良剂。玉米秸秆生物炭和小麦秸秆生物炭的比表面积远大于玉米芯生物炭,并含有大量的Mg, Al, Ca等阳离子。
(2)三种生物炭对溶液中的Cu和Cd均有一定的吸附效果,相同投加量的玉米秸秆生物炭对重金属的吸附量最大,其次是小麦秸秆生物炭,玉米芯生物炭的吸附能力最差。玉米秸秆生物炭对相同摩尔浓度的Cue十离子和Cd2十离子去除率都很高,均可达到98%以上,小麦秸秆生物炭对相同摩尔浓度的Cue十离子和Cd2十离子去分别可达到98%以上和80%左右,玉米芯生物炭对相同摩尔浓度的Cue十离子和Cd2十离子去除率分别为90%左右和20%左右。因此,玉米秸秆生物炭和小麦秸秆生物炭更适宜作为重金属污染的吸附剂。
(3)研究中选取的Cu和Cd离子之间存在竞争吸附行为,Cu浓度的增加会进一步抑制Cd的吸附,两者会竞争生物炭的相同吸附位点,但由于Cu的水合离子半径较小,更容易发生置换反应,导致优先被生物炭吸附。
(4)生物炭对重金属的吸附过程符合准二级动力学模型以及Freundlich模型。表明其存在多层吸附作用,是一个多步骤反应,并且化学吸附是主要的限速步骤。随着pH的增加,吸附量逐渐增大,随着温度的升高,吸附量也有小幅提高。
(5)通过FT-IR和XRD的分析表明,生物炭对重金属的吸附与生物炭表面的一OH, C=O, O-H和C-OH等基团有关,发生络合形成沉淀。因此,生物炭的吸附机制是以物理吸附与化学吸附方式结合进行,包括直接的物理吸附、与生物炭表面官能团或离子结合或交换反应以及一些静电吸附等。
(6)当溶液中存在腐殖酸时,能够促进生物炭对重金属的吸附,起到传递金属离子的载体作用,使得离子更多更快地与生物炭接触而被固定。腐殖酸并未改变生物炭的吸附动力学和等温吸附线的性质。
(7)生物炭可以增强土壤对重金属的固定。在酸雨淋滤的条件下,施加生物炭使得土壤的缓冲能力增强,pH值更加稳定,Cue十离子和Cd2十离子的淋出率分别降低6.49 %-28.95 %, 12.74 %-37.99,减小了重金属迁移性带来的危害。
8、论文写作进度安排。
2015.05-2015.06 腐殖酸对生物炭吸附重金属背景资料查询
2015.06-2015.07 生物炭及其应用研究国内外现状研究
2015.07-2015.02 生物炭对重金属的吸附作用实验
2016.02-2016.06 提交论文初稿
2016.07-2016.08 确定论文终稿
2016.08-2016.09 论文答辩