铁改性生物质炭对溶液及土壤中Cr(Ⅵ)的去除效应及机理研究

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近年来,生物质炭对于环境中污染物的去除受到广泛关注。尤其是经改性后的生物质炭可以达到对特定污染物的高效去除。铁改性生物质炭由于具有磁性便于分离和再生,将其应用于溶液及土壤中重金属的吸附钝化是目前研究的一个热点。但是,由于铁改性生物质炭的方法多样,在实际应用过程中对污染物的去除效果因生物质原料、热解温度及铁形态、价态等的不同而差异很大。而弄清负载铁、生物质炭与重金属之间的作用机制,识别可能影响修复效果的关键因素是对铁改性生物质炭进一步提质增效的基础。因此,本研究选用700℃柳枝热解生物质炭(BC),经酸处理制备酸洗生物质炭(HBC),并用化学共沉淀法将纳米零价铁和三价铁负载至酸洗生物质炭上得到2种Fe改性生物质炭nZVI-HBC和Fe3+-HBC。用于比较4类生物质炭对溶液和土壤中的Cr(Ⅵ)的去除效应。并借助比表面分析仪(BET)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及傅里叶变换红外光谱(FTIR)等技术对反应前后的生物质炭进行表征,用以解释改性生物质炭对Cr(Ⅵ)的去除机理。采用批试验法探讨了投加量、初始pH、Fe负载量等因素对溶液中Cr(Ⅵ)去除的影响。采用土壤稳定化试验,比较了不同改性生物质炭对土壤中Cr(Ⅵ)去除的差异,并探究了改性生物质炭对土壤中Cr形态和Cr(Ⅵ)生物可给性的影响。在此基础上,利用室内盆栽试验,探究了生物质炭修复Cr(Ⅵ)污染对玉米生长的影响。本研究得到的主要结论如下:(1)HBC、nZVI-HBC(1:2)和Fe3+-HBC(1:6)对溶液中Cr(Ⅵ)去除率均远高于BC。且去除Cr(Ⅵ)的主要机理为还原反应。BC、HBC和nZVI-HBC(1:2)将Cr(Ⅵ)还原为Cr(III)的同时,其表面官能团被氧化为-COOH等。负载适量的nZVI能够加强nZVI-HBC对Cr(Ⅵ)的还原。而Fe3+-HBC的表面官能团对Cr(Ⅵ)的还原贡献较小,Fe3+负载时被HBC还原得到的Fe2+对Cr(Ⅵ)还原起主要作用。(2)Langmuir模型可以很好地拟合BC、HBC、nZVI-HBC(1:2)和Fe3+-HBC(1:6)对Cr(Ⅵ)的等温吸附曲线。投加量、初始pH及nZVI/Fe3+与HBC的质量比(铁炭比)是影响溶液中Cr(Ⅵ)去除率的重要因素。(3)施加5%的BC、HBC和nZVI-HBC(1:2)可有效地去除土壤中Cr(Ⅵ),且HBC和nZVI-HBC(1:2)优于BC。提高土壤含水率能促进生物质炭对Cr(Ⅵ)的去除。3种生物质炭处理均在不同程度上增加了Cr的残渣态比例。(4)施加0.5%HBC、nZVI-HBC(1:2)和Fe3+-HBC(1:6)对土壤中Cr(Ⅵ)去除率均显著高于对照。一定范围内,Cr(Ⅵ)去除率随施用量、初始Cr(Ⅵ)浓度及铁炭比的增大而升高。HBC及nZVI-HBC(1:2)主要适用于轻度Cr(Ⅵ)污染土壤,而Fe3+-HBC(1:6)对重污染土壤修复更加有效。体外胃肠模拟试验表明以上改性生物质炭降低了Cr(Ⅵ)在胃阶段的生物可给性,但提高了其在肠阶段的生物可给性。因此在利用改性生物质炭修复Cr(Ⅵ)土壤的同时,不应忽视由于施加生物质炭使肠道对Cr(Ⅵ)吸收增强而导致的风险。(5)nZVI-HBC(1:2)和nZVI-HBC(1:5)处理组玉米未发芽。HBC和Fe3+-HBC(1:6)处理组土壤中玉米生物量高于对照,nZVI-HBC(1:10)低于对照。这3种改性生物质炭均降低了玉米根中Cr含量并提高叶中植物酶活性。而HBC和Fe3+-HBC(1:6)分别提高了玉米叶中的Fe含量和叶绿素含量。低浓度下,3种改性生物质炭均不同程度地提高了Cr残渣态比例。高浓度下,HBC仍促进Cr向稳定态转化,而铁改性生物质炭尤其是Fe3+-HBC(1:6)促进了Cr的活化。
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