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施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响

戴志楠 温尔刚 陈翰博 杨兴 陈俊辉 郭佳 王海龙

戴志楠, 温尔刚, 陈翰博, 杨兴, 陈俊辉, 郭佳, 王海龙. 施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
引用本文: 戴志楠, 温尔刚, 陈翰博, 杨兴, 陈俊辉, 郭佳, 王海龙. 施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
DAI Zhinan, WEN Ergang, CHEN Hanbo, YANG Xing, CHEN Junhui, GUO Jia, WANG Hailong. Effect of raw and iron-modified biochar on the sorption of As (Ⅴ) by soils[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
Citation: DAI Zhinan, WEN Ergang, CHEN Hanbo, YANG Xing, CHEN Junhui, GUO Jia, WANG Hailong. Effect of raw and iron-modified biochar on the sorption of As (Ⅴ) by soils[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392

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施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(21876027),佛山市科技创新团队项目(1920001000083)
详细信息
    作者简介: 戴志楠(ORCID: 0000-0002-3946-9813),从事农业废弃物资源化利用。E-mail: daizhinan123@126.com
    通信作者: 王海龙(ORCID:0000-0002-6107-5095 ),教授,博士,博士生导师,从事生物质炭的环境功能和土壤修复研究。E-mail: Hailong@zafu.edu.cn
  • 中图分类号: S153.6

Effect of raw and iron-modified biochar on the sorption of As (Ⅴ) by soils

  • 摘要:   目的  考察生物质炭及铁改性生物质炭对土壤吸附砷As(Ⅴ)的影响。  方法  以法国梧桐Platanus orientalis修剪枝为原料在650 ℃限氧条件下热解制备生物质炭,并通过氯化铁(FeCl3)溶液浸渍、热解,将其进一步制备成铁改性生物质炭,对比考察改性后生物质炭理化性质和表面官能团的变化;并通过批量吸附试验探究不同As (Ⅴ)初始质量浓度、吸附时间对施炭土壤吸附As (Ⅴ)效果和规律的影响,通过分析吸附等温线特征和吸附动力学特征,探明吸附机制。  结果  铁改性生物质炭较原始生物质炭pH、比表面积及官能团数量降低,但灰分质量分数和电导率有所增加;Langmuir模型能较好拟合施炭土壤对As(Ⅴ)的吸附过程,表明吸附以单分子层为主。当As (Ⅴ)溶液初始质量浓度大于25 mg·L−1后,铁改性生物质炭对As (Ⅴ)的吸附量大于原始生物质炭,且最大吸附量为0.36 mg·g−1。原始生物质炭和铁改性生物质炭对As (Ⅴ)的动力学吸附符合准二级动力学方程,吸附过程在4 h前后分别为快速吸附和慢速吸附2个阶段,在24 h左右趋于平衡,且铁改性生物质炭处理下土壤的饱和吸附量比原始生物质炭处理高11%。  结论  施用2种生物质炭均能提高土壤对As (Ⅴ)的吸附效果,且铁改性生物质炭的吸附效果优于原始生物质炭。因此,施用铁改性生物质炭可以加强土壤对As (Ⅴ)的吸附作用从而降低As生物有效性。图6表3参39
  • 图  1  改性前后生物质炭的扫描电镜图

    Figure  1  X-ray diffraction scanning electron microscope (SEM) images of raw and iron-modified biochars

    图  2  改性前后生物质炭的红外光谱图

    Figure  2  X-ray diffraction Fourier transform infrared (FTIR) spectrometry of raw and iron-modified biochars

    图  3  不同施炭处理土壤对As(Ⅴ)的等温吸附曲线

    Figure  3  Sorption isotherms of As(Ⅴ) on the control and biochar-treated soils

    图  4  不同施炭处理土壤对As(Ⅴ)的Langmuir模型吸附拟合曲线

    Figure  4  Langmuir sorption isotherms of As(Ⅴ) on the control and biochar-treated soils

    图  5  吸附时间对不同生物质炭处理土壤吸附As(Ⅴ)的影响

    Figure  5  Effect of time on As(Ⅴ) adsorption on the control and biochar-treated soils

    图  6  As(Ⅴ)在不同施炭处理土壤中准一级线性方程(A)、准二级线性方程(B)和颗粒内扩散方程(C)的拟合曲线

    Figure  6  Sorption kinetic curves of the pseudo-first-order kinetics (A), the pseudo-second-order kinetics (B) and internal diffusional models (C) for the adsorption of As(Ⅴ) on the control and biochar-treated soils

    表  1  生物质炭改性前后的基本理化性质

    Table  1.   Properties of the raw and Fe-modified biochars

    生物质炭碳质量
    分数/%
    氢质量
    分数/%
    氮质量
    分数/%
    比表面积/
    (m2·g−1)
    pH电导率/
    (dS·m−1)
    灰分质量
    分数/%
    阳离子交
    换量/(cmol·kg−1)
    总铁质量
    分数/(g·kg−1)
    原始生物质炭 69.342.741.11110.709.250.37 9.6621.59 4.72
    铁改性生物质炭59.912.240.94 74.474.414.4915.7716.7039.89
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    表  2  不同施炭处理土壤对As(Ⅴ)的Langmuir吸附模型拟合参数

    Table  2.   Parameters of Langmuir isotherms for the adsorption of As(Ⅴ) on the control and biochar-treated soils

    处理Qm/(mg·g−1)KL/(L·mg−1)R2
    未施炭处理    0.250.0320.997
    原始生物质炭处理 0.310.0510.999
    铁改性生物质炭处理0.360.0460.997
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    表  3  As(Ⅴ)在不同处理土壤中的吸附动力学拟合参数

    Table  3.   Parameters of kinetic models for the adsorption of As(Ⅴ) on the control and biochar-treated soils.

    处理准一级动力学方程准二级动力学方程颗粒内扩散方程
    K1/h−1R2Qe/
    (mg·g−1)
    K2/
    (mg·g−1·h−1)
    R2Qe/
    (mg·g−1)
    Kp1/
    (mg·g−1·h−1)
    Kp2/
    (mg·g−1·h−1)
    R12R22
    未施炭处理    0.9090.9520.1874.8650.9940.1850.063 20.015 40.8340.946
    原始生物质炭处理 0.8270.9740.5802.9260.9880.1850.035 20.018 30.8820.991
    铁改性生物质炭处理0.4250.9280.1824.3710.9960.2060.046 60.020 80.9440.983
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-19
  • 修回日期:  2020-12-22

施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(21876027),佛山市科技创新团队项目(1920001000083)
    作者简介:

    戴志楠(ORCID: 0000-0002-3946-9813),从事农业废弃物资源化利用。E-mail: daizhinan123@126.com

    通信作者: 王海龙(ORCID:0000-0002-6107-5095 ),教授,博士,博士生导师,从事生物质炭的环境功能和土壤修复研究。E-mail: Hailong@zafu.edu.cn
  • 中图分类号: S153.6

摘要:   目的  考察生物质炭及铁改性生物质炭对土壤吸附砷As(Ⅴ)的影响。  方法  以法国梧桐Platanus orientalis修剪枝为原料在650 ℃限氧条件下热解制备生物质炭,并通过氯化铁(FeCl3)溶液浸渍、热解,将其进一步制备成铁改性生物质炭,对比考察改性后生物质炭理化性质和表面官能团的变化;并通过批量吸附试验探究不同As (Ⅴ)初始质量浓度、吸附时间对施炭土壤吸附As (Ⅴ)效果和规律的影响,通过分析吸附等温线特征和吸附动力学特征,探明吸附机制。  结果  铁改性生物质炭较原始生物质炭pH、比表面积及官能团数量降低,但灰分质量分数和电导率有所增加;Langmuir模型能较好拟合施炭土壤对As(Ⅴ)的吸附过程,表明吸附以单分子层为主。当As (Ⅴ)溶液初始质量浓度大于25 mg·L−1后,铁改性生物质炭对As (Ⅴ)的吸附量大于原始生物质炭,且最大吸附量为0.36 mg·g−1。原始生物质炭和铁改性生物质炭对As (Ⅴ)的动力学吸附符合准二级动力学方程,吸附过程在4 h前后分别为快速吸附和慢速吸附2个阶段,在24 h左右趋于平衡,且铁改性生物质炭处理下土壤的饱和吸附量比原始生物质炭处理高11%。  结论  施用2种生物质炭均能提高土壤对As (Ⅴ)的吸附效果,且铁改性生物质炭的吸附效果优于原始生物质炭。因此,施用铁改性生物质炭可以加强土壤对As (Ⅴ)的吸附作用从而降低As生物有效性。图6表3参39

English Abstract

戴志楠, 温尔刚, 陈翰博, 杨兴, 陈俊辉, 郭佳, 王海龙. 施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
引用本文: 戴志楠, 温尔刚, 陈翰博, 杨兴, 陈俊辉, 郭佳, 王海龙. 施用原始及铁改性生物质炭对土壤吸附As(Ⅴ)的影响[J]. 浙江农林大学学报. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
DAI Zhinan, WEN Ergang, CHEN Hanbo, YANG Xing, CHEN Junhui, GUO Jia, WANG Hailong. Effect of raw and iron-modified biochar on the sorption of As (Ⅴ) by soils[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392
Citation: DAI Zhinan, WEN Ergang, CHEN Hanbo, YANG Xing, CHEN Junhui, GUO Jia, WANG Hailong. Effect of raw and iron-modified biochar on the sorption of As (Ⅴ) by soils[J]. Journal of Zhejiang A&F University. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20200392

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