秸秆生物碳的制备及其在吸附类固醇雌激素中的应用

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生物碳是生物质在缺氧或者无氧条件下低温裂解(一般<700℃)制备的富碳固体,其结构被称为BC-NOM,BC即为黑碳,而NOM指的是天然有机质,生物碳能够累积于自然环境中,并影响环境中有机污染物的迁移转化,其对有机污染物的吸附性能、吸附机制与机制之间的相互作用已成为目前的研究热点。我国农作物秸秆十分丰富,且废弃严重,将其制备成生物碳并进行土壤污染控制具有重要意义。  天然类固醇雌激素是蔬菜大棚土壤中典型的有机污染物,主要来源是畜禽粪便的农用。由于它们在1 ng·L-1的低浓度下就会对水生生物造成危害,所以对其进行综合处理具有重要意义。综上所述,本论文主要做了如下研究:  首先,根据我国农作物种类以及农村普遍可以达到的制备条件,确立了最廉价同时最有效的制备秸秆生物碳的方法。并且,从热重分析、元素分析、红外光谱和比表面积等方面表征生物碳的理化性质,并探讨各种理化性质对吸附性能的影响。热重分析显示三种秸秆热解的过程中,在60℃出现一个水分挥发的失重峰,纤维素和半纤维素在300~400℃充分裂解;元素分析显示表征生物碳芳香性、亲水性和极性(H/C、O/C、(N+O)/C)的三种有机元素的原子比并未出现较大差异;红外光谱分析得出,三种秸秆生物碳虽然在无机组分和灰分上存在较大差异,但是各种含碳基团上的差异不明显;比表面积测试结果显示,小麦、玉米和水稻秸秆生物碳的比表面积分别为51.32m2·g-1,47.05 m2·g-1和28.63 m2· g-1。  其次,利用制备得到的生物碳,对类固醇雌激素进行吸附实验,探讨吸附机理。吸附实验结果表明,类固醇雌激素在生物碳表面的吸附动力学符合Elovich方程,表示吸附存在表面吸附和分配作用两种吸附机制;吸附热力学符合Freundlich方程,玉米、小麦和水稻的Freundlich系数分别为2609.05、3973.57和2526.15 mg1-nLn·kg-1。采用双模模型对吸附过程中的表面吸附和分配作用进行量化,得出表面吸附的饱和吸附量Q0与三种秸秆生物碳在20 nm以下的总孔体积有很好的正相关关系,表明三种秸秆生物碳表面吸附能力的差异是因为空隙填充机制,而造成分配作用能力差异的原因尚待进一步研究。  最后,采集蔬菜大棚基地中的河水及土壤样品,调查环境样品中的典型天然类固醇雌激素的残留水平,并用采集的土壤样品进行吸附类固醇雌激素的实验。检测结果显示,4种目标污染物均有残留,并且证实了主要来源是蓄禽粪便;吸附实验结果显示,大棚土壤因为施用蓄禽粪便,吸附能力大于普通土壤,使用生物碳对土壤样品进行改良后,吸附能力的提升率分别达到57.78%、5.76%和5.27%,提升率波动较大,改良方案有待进一步优化。
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