改性纳米碳黑在修复重金属污染土壤中的应用研究

论文摘要

随着土壤重金属污染日益加剧,土壤重金属污染的治理已成为当前研究的热点。纳米材料具有高比表面积、高反应活性和强吸附特性等,已被用于环境污染的治理。但目前的研究多集中在水处理方面,在土壤污染的治理方面的尝试多聚焦于有机物污染土壤。将纳米材料应用于重金属污染土壤修复,无疑为重金属污染土壤的修复提供一条经济、安全的新途径。本论文用HNO3对纳米碳黑进行改性,研究了其表面性质、带电特性及形貌结构;通过吸附解吸试验比较了纳米碳黑（CB）与氧化改性的纳米碳黑（OCB）吸附Cu和Cd的能力,研究其吸附动力学过程,以及电解质浓度、pH等对吸附和解吸的影响;通过培养试验研究了改性纳米碳黑对土壤Zn和Cu生物有效态的影响;通过盆栽试验研究了改性纳米碳黑对黑麦草生长和黑麦草吸收重金属Cu和Zn的影响,以及对根际土重金属各形态的影响,为纳米碳黑在重金属污染土壤修复中的应用提供科学依据。主要研究结果如下:纳米CB的粒径在30-60纳米之间,比表面积为1259m2·g-1,远大于粉末状活性碳的765m2·g-1,有不明显的团聚现象。氧化改性后C=C和O-H官能团明显增多,并且新引进了O=C-OH、C-O和CNO等官能团。OCB带负电荷,Zeta电位在pH3-8之间由-20mV降低到-60mV,说明OCB适合吸附带正电的污染物。改性后等电点左移,所带负电电量增大,其吸附带正电污染物的能力增强。Cu和Cd在OCB和CB上的吸附等温线能很好的用Langmuir方程拟合。Cu在OCB和CB上的最大吸附量分别是438和99 mmol·kg-1,Cd的是282和72 mmol·kg-1。OCB的吸附Cu和Cd能力远远大于CB,且对Cu的吸附能力大于Cd。Cu和Cd在OCB上的解吸量取决于它们初始的吸附量,吸附量越大,解吸量越大。以中性盐解吸的易解吸态Cu的解吸率低于Cd,说明OCB对Cu的吸附能力大于Cd,应用于钝化土壤中重金属时,对Cu的钝化效果好于Cd。Cu和Cd在OCB上的吸附量随pH的升高而增大,OCB的最大吸附量分别出现在pH5.5和pH7以上。Cu和Cd在OCB有竞争吸附现象,且Cd对Cu的影响大于Cu对Cd的影响。添加OCB可以降低污染土壤中有效态Cu和Zn的含量,与对照相比添加1%、3%、5%CB的土壤有效态Cu分别降低了47.26%、72.01%、80.89%,有效态Zn分别降低了3.00%、17.71%、43.61%。培养60天后,OCB包施处理吸附固定Zn的效果优于混施处理,吸附固定Cu的效果劣于混施处理。添加OCB能够减轻重金属对黑麦草生长的伤害和黑麦草对重金属的吸收。表现为随施加OCB量增加,黑麦草生物量干重显著增加和黑麦草地上部Cu和Zn含量显著降低,且Cu比Zn更易被OCB吸附钝化失去活性。黑麦草吸收的Cu和Zn含量与土壤有效态Cu和Zn和交换态和碳酸盐结合态Cu和Zn之间呈极显著线性正相关,与pH的相关性不显著。通过改变土壤重金属的形态是添加OCB降低黑麦草对重金属吸收的机理关键。OCB通过强吸附作用,降低土壤中有效态Cu和Zn的含量,将交换态和碳酸盐结合态Cu和Zn转化为难以被植物吸收利用的有机物及硫化物结合态,从而降低了黑麦草对Cu和Zn的吸收。了解OCB对降低黑麦草对重金属吸收的机理,对进一步研究OCB在修复重金属污染土壤上的应用具有十分重要的意义。

论文目录

• 全文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 选题的意义
• 1.2 主要研究目的和研究内容
• 1.2.1 主要研究目的
• 1.2.2 主要研究内容
• 1.3 技术路线
• 1.4 主要创新之处
• 第二章 重金属污染土壤修复研究进展（文献综述）
• 2.1 土壤重金属污染现状
• 2.2 土壤重金属的生物有效性
• 2.2.1 生物有效性
• 2.2.2 土壤中重金属的总量与重金属生物有效性
• 2.2.3 土壤中重金属生物有效性的表征
• 2.2.4 土壤中重金属生物有效性的主要影响因素
• 2.3 重金属污染土壤的修复方法
• 2.3.1 重金属污染土壤的物理修复方法
• 2.3.2 重金属污染土壤的化学修复方法
• 2.3.3 重金属污染的土壤生物修复方法
• 2.4 纳米材料在环境污染治理中的研究进展
• 2.4.1 纳米材料
• 2.4.2 纳米碳黑
• 第三章 纳米碳黑的氧化改性及其表面性质表征
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 供试材料
• 3.2.2 仪器和设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 CB的SEM分析
• 3.3.2 粒径及表面积分析
• 3.3.3 改性前后纳米碳黑红外光谱分析
• 3.3.4 改性前后纳米碳黑Zeta电位分析
• 3.4 小结
• 第四章 重金属在改性碳黑表面的吸附解吸与竞争吸附
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 供试材料
• 4.2.2 仪器和设备
• 4.2.3 研究方法
• 4.2.4 结果计算
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Cu或Cd在CB和OCB上的吸附动力学过程
• 4.3.2 Cu或Cd在CB和OCB上的吸附等温线
• 4.3.3 Cu或Cd在OCB上的解吸
• 4.3.4 Cu或Cd在OCB上吸附的主要影响因素
• 4.4 小结
• 第五章 改性纳米碳黑对不同土壤中重金属固定能力研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 供试材料
• 5.2.2 仪器和设备
• 5.2.3 试验方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 施用OCB后土壤pH的变化
• 5.3.2 施用OCB对贵溪红壤中重金属有效含量的影响
• 5.3.3 施用OCB九华黄棕壤中重金属有效含量的影响
• 5.4 小结
• 第六章 改性纳米碳黑对黑麦草吸收CU和ZN的影响及机理探讨
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 供试材料
• 6.2.2 仪器和设备
• 6.2.3 研究方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 添加OCB对黑麦草生长的影响
• 6.3.2 添加OCB对黑麦草吸收Cu和Zn影响
• 6.3.3 添加OCB对降低黑麦草对重金属吸收的机理探讨
• 6.4 添加OCB对降低黑麦草对重金属吸收的机理推断
• 6.5 小结
• 第七章 全文结论与展望
• 7.1 全文结论
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 个人简历及发表文章情况
• 致谢