不同类型生物炭对苯脲除草剂污染土壤的修复研究

摘要

生物炭（biochar）是在厌氧和缺氧条件下，将木材、畜禽粪便、秸秆等生物质通过高温裂解（<700℃）产生的，作为一种新型环境功能材料，逐渐成为环境学科的研究热点，是因为其拥有大的孔隙率、较大的比表面积、较多的官能团等特征，同时对污染物有很高的吸附效率，且可应用于不同的环境领域，例如生物炭可广泛应用于固碳减排、作物增产、水源净化、重金属吸附和土壤改良等，尤其是对土壤改良，不仅能固定土壤中CO2，延缓土壤肥料养分的淋失，使土壤有害物质降解或失活，同时生物炭颗粒在土壤中随着地表水迁移转化，对吸附在其表面的污染物的运动迁移产生了巨大的影响。
　　现代农业对除草剂尤其是苯脲类除草剂的广泛使用，不仅导致了苯脲除草剂残留于蔬菜、水果、谷物、地表水和地下水中，而且降解很慢，主要是因为苯脲类除草剂是水溶性的，并且化学性质稳定，属于长期残留除草剂。鉴于此，本文选择了灭草隆、敌草隆和利谷隆这三种苯脲类除草剂做为研究对象。
　　本文以小麦秸秆、稻草秸秆、沙柳秸秆和玉米秸秆为原材料，在500℃温度下，厌氧热解制备生物炭，然后在不同化学条件下（离子强度（Ionic strength，IS）、盐离子、生物炭添加量以及 pH）探讨了生物炭在土壤中的运动迁移，同时研究了生物炭协同灭草隆、敌草隆和利谷隆的运动迁移，并使用了对流弥散方程（convection-dispersion equation，CDE）对实验数据进行了拟合。论文主要结论以及创新点如下：
　　(1)在不同化学条件下，研究稻草生物炭在土壤中迁移，不仅发现随着离子强度的增加和pH的减少，稻草生物炭会更多滞留在多孔介质中，且在相同离子强度和pH条件下，Ca2+滞留的稻草生物炭颗粒总量远强于 Na+，同时稻草生物炭各实验条件下的穿透曲线均利用非平衡对流弥散方程拟合，相关系数都在0.99以上，说明生物炭在迁移的过程中不仅受到化学作用力，还有物理作用力。
　　(2)在不同的化学条件下（pH、不同价态盐离子、IS、生物炭投加量），通过正交实验分析小麦秸秆生物炭（WSB）、玉米秸秆生物炭（MSB）、稻草秸秆生物炭（RSB-1）和沙柳秸秆生物炭（SSB）对灭草隆、敌草隆和利谷隆的吸附过程，不但观察到四种生物炭的表面官能团和灰分在对苯脲除草剂的吸附过程中发挥着重要的作用，而且发现四种生物炭浓度大于10 g/L，对苯脲除草剂灭草隆、敌草隆和利谷隆的吸附效果都是：玉米秸秆生物炭>稻草1号秸秆生物炭>小麦秸秆生物炭>沙柳秸秆生物炭，同时通过正交软件分析不同生物炭去除某种苯脲除草剂最佳的pH、盐离子、IS和生物炭投加量，如稻草1号秸秆生物炭（RSB-1）对灭草隆去除的最佳水平组合是：pH为3，离子强度为0.1M（NaCl），RSB-1浓度为10 g/L。
　　(3)在不同的化学条件下（pH、不同价态盐离子、IS、生物炭投加量），探讨了稻草生物炭协同灭草隆、敌草隆和利谷隆运动迁移，通过正交软件分析不仅发现：对于灭草隆，最佳实验条件是：pH为9，离子强度为0.001M（NaCl），稻草秸秆投加量为M生物炭/M石英砂=1%，最大去除率达到41.9%；对于敌草隆，最佳实验条件是：pH为9，离子强度为0.001M（NaCl），稻草秸秆投加量为M生物炭/M石英砂=0.05%，最大去除率达到25%；对于利谷隆，最佳实验条件是：pH为9，离子强度为0.001M（NaCl），稻草秸秆投加量为M生物炭/ M石英砂=1%，最大去除率达到56.8%，同时通过非平衡对流弥散方程(non-equilibrium convection-dispersion equation)对生物炭协同苯脲除草剂穿透曲线进行拟合，进一步探讨不同化学条件对生物炭滞留灭草隆、敌草隆和利谷隆能力的影响。
　　综上,论文的系统研究四种生物炭对土壤中脲类除草剂修复，不但可以为土壤中苯脲类除草剂的高效去除提供好的方法，而且能为我国地下水安全治理和农业生产提供了相关的理论依据和技术支持。

目录

声明

主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 生物炭在土壤环境中的行为研究

1.3 生物炭对有机物的吸附机制

1.4 生物炭对土壤中有机物迁移行为的影响

1.5 本文的研究内容和方法

第二章 生物炭的制备和性能表征

2.1 实验方法

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 HPLC测试苯尿除草剂的方法研究

3.1 实验方法

3.2 结果分析

3.3 本章总结

第四章 生物炭对土壤中苯脲除草剂的吸附及作用机理

4.1 实验方法

4.2 结果与讨论

4.3 本章总结

第五章 化学紊流对土壤中生物炭迁移行为的影响研究

5.1 实验方法

5.2 结果分析

5.3 本章总结

第六章 生物炭协同苯脲除草剂的迁移实验

6.1 实验方法

6.2 实验结果分析

6.3 本章总结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢