摘要
砷（As）和镉（Cd）是我国农田土壤两种主要的污染物，土壤中过量的As和Cd可能导致稻米中As和Cd含量超标，从而威胁到人类健康。而水稻土壤中As和Cd化学行为相反，给同时治理 As、Cd 复合污染土壤带来极大困难。施氏矿物（Schwertmannite，简称 Sch）是一种结晶度较差、亚稳态的次生羟基硫酸铁矿物，表面存在大量的羟基、硫酸根等基团，且比表面积大，对 As 有较强吸附能力，前期研究发现其能够有效固持污染水稻土中的 As，然而会导致土壤 pH 的降低从而增加Cd 等重金属的污染风险。生物炭是生物质在高温缺氧或者无氧的环境下，通过裂解产生的富含有机碳的固体物质，常用于Cd等重金属污染土壤的治理，但可能提高土壤中 As 的有效性。然而两种材料化学负载或物理混合后能否实现对污染水稻土壤中As和Cd的同步固持，从而修复As、Cd复合污染水稻土，仍值得进一步研究。 因此，本文合成了生物炭负载施氏矿物（Sch@BC）的复合材料，并对比负载材料与二者物理混合（Sch+BC）对水中对 As、Cd 的吸附去除效果以及对污染土壤中As、Cd的固持效果，以期为As、Cd复合污染土壤的修复提供参考，主要研究结果如下： 1.通过研究施氏矿物与生物炭对水体 pH 值的影响，确定了施氏矿物与生物炭合适的复合比例为1:10，并合成了生物炭负载施氏矿物复合材料。生物炭负载施氏矿物复合材料的比表面积（2.37 m2·g-1）显著大于施氏矿物（1.03 m2·g-1）及生物炭（0.58 m2·g-1），提高了As和Cd的潜在吸附位点。 2.通过吸附实验探究了施氏矿物、生物炭、施氏矿物复合生物炭（Sch+BC）、生物炭负载施氏矿物（Sch@BC）对水中As、Cd的吸附效果。结果表明，Sch、Sch+BC、Sch@BC对As（Ⅲ）有较好的吸附能力，BC、Sch+BC、Sch@BC对Cd（Ⅱ）有较好的吸附能力。在溶液pH为6.0、吸附剂浓度为2 g·L-1的条件下，Sch@BC对As（Ⅲ）和Cd（Ⅱ）的吸附去除率可达97.1%和40.35%。施氏矿物与生物炭两种复合材料（物理混合和化学负载）对 As（Ⅲ）和 Cd（Ⅱ）的吸附动力学方程符合拟二阶动力学方程，说明吸附过程属于化学吸附。Sch+BC对As（Ⅲ）和Cd（Ⅱ）的最大吸附量分别为14.28 mg·g-1和1.323 mg·g-1，Sch@BC对As（Ⅲ）和Cd（Ⅱ）的最大吸附量分别为8.64 mg·g-1和3.643 mg·g-1。施氏矿物负载在生物炭表面改变了生物炭理化性质，明显降低了生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附能力。 3.研究了施氏矿物与生物炭两种复合方式（物理混合或化学负载）对污染水稻土中As、Cd的固持效果。结果表明，施氏矿物的添加会降低土壤pH值，生物炭的添加会提高土壤pH值。施氏矿物的添加可以有效降低土壤孔隙水中的As含量，同时可以显著降低土壤中非专型吸附态As和专性吸附态As的含量，但会提高土壤中非专性吸附态Cd和专性吸附态Cd的含量。生物炭的添加对土壤颗粒中非专性吸附态Cd和专性吸附态Cd有很高的的固定能力，却会提高土壤中As的迁移转化能力。施氏矿物与生物炭单纯物理混合可以同时实现对土壤中As和Cd固定，而生物炭负载施氏矿物显著降低了土壤中As迁移能力，却提高了土壤中Cd的迁移能力。 4.以上研究表明，生物炭与施氏矿物物理混合可以实现对污染水稻土中 As、Cd的同步固持，而生物炭负载施氏矿物会提高土壤Cd的移动性，不能实现同步固持污染水稻土中As和Cd。因此，生物炭与施氏矿物物理混合（混合比例10:1）可实现对污染水稻土壤中As和Cd的同步固持。
NETL