摘要
生物炭作为一种价格低廉、“负碳排放”、适宜规模推广的环境修复材料，在治理土壤重金属污染领域具有广阔的应用前景。使用磷酸盐改性生物炭，不仅可以提高其对重金属的吸附能力，还可减少磷淋失、提高磷的利用率。本文系统研究了制备温度、生物质原料种类、磷酸盐前驱体类型对富磷生物炭的理化性质及吸附特性的影响机理，深入探讨了富磷生物炭对水体重金属的吸附机制及对土壤重金属迁移转化的影响机制。 首先研究了制备温度对富磷生物炭理化性质及其对重金属吸附性能的影响机制。发现随制备温度升高，富磷生物炭的pH值和含氧官能团含量降低，比表面积先增大后减小，含磷化合物含量升高，炭的稳定性增强。不同温度制备的富磷生物炭主要通过表面-OH/-COOH的有机络合、PO43-的沉淀及P2O74-的无机络合作用固定水体中的重金属。550℃为最佳制炭温度，该温度下对Cd(Ⅱ)的最大吸附量为289.32mg/g。 然后探究了生物质原料类型对富磷生物炭理化性质、土壤重金属形态及生物有效性的影响机制。发现稻壳及玉米杆衍生富磷生物炭具有更高的pH值、CEC含量、BET比表面积和总孔容积、更强的磷负载能力；上述两种生物炭比毛竹及木屑衍生富磷生物炭对Cd(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的固定效率分别高出14~24%和19~33%。与未改性生物炭相比，富磷生物炭对土壤中Cu(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的固定效率至少提高了2~3倍。 接下来探索了磷的前驱体类型对生物炭中磷的转化路径及对重金属钝化机制的影响。不同前驱体改性的炭对Cd(Ⅱ)的钝化效果为：磷酸钾改性炭＞磷酸改性炭＞磷酸铵改性炭＞未改性生物炭。不同生物炭对重金属的钝化机制包括有机含磷基团和含氧官能团的有机络合作用、焦磷酸盐的无机络合作用、正磷酸盐的（共）沉淀作用等。添加2%的磷酸钾改性炭后可将有效态Cd(Ⅱ)的含量降低81.03%。 在前几章基础上，探究了羧甲基纤维素钠覆膜型富磷生物炭对土壤重金属的钝化机制及磷的缓释特性。制备了具有核壳式结构的覆膜型富磷生物炭，其对重金属的吸附经历三个阶段，对Pb(Ⅱ)的长期吸附量为1120mg/g。静水中覆膜型富磷生物炭经过1天（ω1）和28天（ω28）后磷的累积释放率分别为6.21wt.%和74.95wt.%，达到相关缓释肥的标准。 最后，在实验的基础上建立并校准了多层耦合水稻土中溶质反应运移模型，模拟了添加富磷生物炭的情况下，Cd(Ⅱ)在土壤-生物炭混合体系中的平流-弥散、双区扩散、优先流动、阳离子交换、络合、沉淀作用等化学过程。模型的预测结果显示：在两种不同浓度的镉输入下，添加2%的富磷生物炭可以保证在360天的灌溉周期内，稻田土壤镉的浓度在规定限值内。
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