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稻草生物质炭对3种可变电荷土壤吸附Cd( II)的影响
作者:管理员    发布于:2017-12-22 09:11:06    文字:【】【】【

  稻草生物质炭对3种可变电荷土壤吸附Cd的影响蒋田雨(1.土壤与农业可持续发展国家重点,当稻草炭添加量为3时,海南澄迈砖红壤、广西柳州红壤和海南昆仑红壤CEC分别比对照提高14.0、39.0和68.4;当稻早炭添加量提高到5时,3种土壤的CEC分别比对照提高了50.0、2.4和88.30CEC代表pH 7.0时土壤表面的负电荷量,生物质炭表面含有丰富的含氧官能团,在较高pH条件下这些官能团以阴离子形态存在,使生物质炭表面带负电荷,这是添加生物炭使可变电荷土壤CEC增加的主要原因。热带、亚热带地区的可变电荷土壤CEC较低,对阳离子的吸附容量较小。随着生物质炭的加入,土壤CEC显著增加,土壤对阳离子的吸附容量显著提高。

  Zeta电位是胶体滑动面上的电位,它的正负符号和数值主要决定于胶体的表面电荷。结果表明,添加生物质炭使土壤胶体Zeta电位向负值方向位移,且随稻草炭加入量增加位移增大,说明由于生物质炭的加入土壤表面负电荷增多,进一步证明添加生物质炭增加了土壤表面负电荷量。

  2.2Cd的吸附等温线3种土壤对Cd的吸附等温线如所示,结果表明添加稻草炭改良后的土壤对Cd的吸附量显著增加。如当Cd初始浓度为1.5mmol-L-1时,添加3稻草炭使海南澄迈砖红壤、广西柳州红壤和海南昆仑红壤对Cd的吸附量分别较对照增加了6.6、6.2和18.4;当添加稻草炭增加到5时,Cd吸附量分别较对照增加了21.1、38.4和47.5.结果还表明,添加稻草炭也使吸附在土壤表面的Cd的解吸量增加,且添加的生物质炭量越多,Cd的解吸量越大。这一趋势也与生物质炭对3种土壤CEC和Zeta电位的影响一致(和)。能被中性盐NaNO3解吸的这部分Cd是通过静电吸附机制被土壤所吸附,添加生物质增加了土壤的负电荷量,增强了土壤表面对阳离子的静电吸引力,因此增加了Cd在可变电荷土壤表面的静电吸附量。当Cd初始浓度为1.5mmohL-1时,添加5的稻草炭使海南澄迈砖红壤、广西柳州红壤和海南昆仑红壤对Cd的静电性吸附量分别提高了为了定量表征稻草炭对Cd(11)吸附等温线的影海南澄迈广西柳州海南昆仑口对照03稻草炭5稻草炭图丨添加稻草炭对土壤PH(A)和阳离子交换置(B)的影响添加稻草炭对海南澄迈砖红壤(A)、广西柳州红壤(B)和海南昆仑红壤(C)Zeta电位的影响Figure响,分别用Freundlich和Langmuir方程对吸附等温线进行拟合,所得拟合参数值列于表2中,结果表明Freundlich方程拟合效果更佳,R2为在0.91以上;Langmuir方程的拟合效果稍逊,大多数处理拟合的R2 Freundlich方程中常数k是与吸附容量有关的参数,根据k值大小可以进一步比较稻草炭对Cd吸附容量的影响,结果表明不加稻草炭的对照体系,海南砖红壤和广西红壤k值远高于海南红壤,说明不同可变电荷土壤对Cd的吸附容量存在很大差3炭-解吸么-5炭-解吸添加稻草炭对Cd(n)在海南澄迈砖红壤(A)、广西柳州红壤(B)和海南昆仑红壤(C)上吸附/解吸的影响异。海南砖红壤和广西红壤分别发育于玄武岩和第四纪红粘土,这2种土壤的粘粒含量高于花岗岩发育的海南红壤(表1),这是后者对Cd吸附量低于前者的主要原因,因为土壤粘粒对离子的吸附能力高于大粒径的土壤颗粒。另一方面,前2种土壤游离氧化铁和氧化铝含量高于后者(表1),铁铝氧化物是可变电荷土壤对重金属发生专性吸附的主要吸附剂,是上述现象产生的另一个重要原因。添加稻草炭使3农业环境科学学报澄迈砖红-对照澄迈砖红-3稻草炭澄迈砖红-5稻草炭柳州红-对照柳州红-3稻草炭柳州红-5稻草炭昆仑红-对照昆仑红-3稻草炭昆仑红-5稻草炭种土壤的k值增加,说明土壤对Cd的吸附容量增加,且添加5处理的k值高于添加3的相应处理,与土壤对Cd吸附量的实验结果一致。

  2.3pH对Cd吸附的影响pH升高导致可变电荷土壤表面负电荷量增加,从而提高了土壤对Cd静电吸附能力。上述研究结果表明,添加稻草炭增加了3种可变电荷土壤的pH,因此除稻草炭本身增加土壤对Cd吸附能力的贡献外,生物质炭还可以通过提高土壤pH增加土壤对Cd的吸附量。

  结果表明在所研究的pH3.0~5.0范围内,添加稻草炭均增大了土壤对Cd的吸附量,且随稻草炭添加水平的增加,Cd吸附量的增幅增加。如pH4.0时,3稻草炭使海南澄迈、广西柳州和海南昆仑土壤Cd的吸附量较对照分别提高了2.44、4.40、1.90mmolkg-1;5稻草炭处理使土壤对Cd的吸附量增加了4.40、9.40、4.00mmol,kg-1opH5.0时,3稻草炭使海南澄迈、广西柳州和海南昆仑土壤对照-吸附3炭-吸附5炭-吸附对照-解吸3炭-解吸厶5炭-解吸PH对(:d(丨丨>在海南砖红壤、广西红壤(B)和海南红壤(C)表面吸附/解吸的影响Cd(丨丨)的吸附量较对照分别提高了mmol士8-1,5稻草炭使土壤对Cd的吸附量增加对海南砖红壤和红壤吸附Cd的促进作用更大。这是因为较高pH下稻草炭表面含氧官能团的离解度增加,表面所带负电荷相应增多。另外,表面阴离子数量增加也提高了生物质炭表面对Cd的络合能力。

  中Cd解吸量随pH的变化趋势与吸附量相似,说明随pH升高土壤对Cd的静电吸附作用增加。中添加生物炭处理Cd解吸量-pH曲线位于对照处理之上,且相同pH下Cd解吸量随稻草炭添加水平提高而增加,说明添加稻草炭增加了土壤对Cd的静电吸附量。

  2.4生物质炭促进可变电荷土壤吸附Cd的机制3种可变电荷土壤在施加稻草炭后对重金属Cd的吸附量和解吸量均有所增强。解吸量可以近似代表土壤对Cd的静电吸附量,因为以静电方式吸附的离子可被中性盐溶液解吸。热带、亚热带地区的可变电荷土壤,由于遭受强烈的风化和淋溶作用,土壤发育程度高,土壤呈酸性,且CEC低,对Cd等重金属的吸附能力弱。添加生物质炭增加了土壤的CEC,使土壤表面负电荷数量增加,土壤对Cd的静电吸附量增加。另一方面,生物炭表面含有丰富羧基和酚羟基等含氧官能团,随着pH升高这些官能团的离解度增加,表面有机阴离子数量增加,对表面负电荷的贡献增加,导致土壤表面对Cd的静电吸附量增加。生物质炭表面的含氧官能团可与Cd2+形成络合物,促进土壤对Cd(ll)的专性吸附。随着pH升高,生物质炭表面阴离子数量增加,对Cd的络合能力增强,对土壤专性吸附的促进作用也增加。因此,向可变电荷土壤中添加生物质炭可同时提高Cd的静电吸附和专性吸附量,增加土壤对Cd的固定能力。生物质炭中和土壤酸度,提高了土壤pH,可进一步增强土壤吸附和固定重金属Cd(ll)的能力。

  当3种土壤比较时,可以发现添加生物炭对海南昆仑红壤吸附Cd的促进作用大于对海南砖红壤和广西红壤,这是因为海南昆仑发育于花岗岩,其粘粒和铁铝氧化物含量均低于其他2种土壤,因此该土壤对照体系对Cd吸附量低于其他2种土壤。在相似的吸附量的增加幅度下,生物质炭对海南昆仑红壤吸附Cd促进作用的相对贡献大。这说明,对吸附容量相对较小的可变电荷土壤,添加生物质炭对提高土壤对重金属吸附容量的效果更佳。

  3结论向3种可变电荷土壤添加稻草炭显著提高土壤pH和CEC,使土壤胶体Zeta电位向负值方向位移,说明稻草炭使土壤表面负电荷增多。生物质炭表面含有羧基和酚羟基等含氧官能团,可以与Cd2+发生络合反应。因此,添加生物质炭不仅提高土壤对Cd的静电吸附量,也增加了Cd的专性吸附量,从而增加土壤对Cd的固定作用。添加生物质炭导致土壤pH升高,使其对土壤中Cd的静电吸附和专性吸附的促进作用进一步增加。Freundlich方程和Langmuir方程均可用于拟合土壤对Cd的吸附等温线,其中Freundlich方程拟合效果更佳。

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