杨晓智 郭建华* 于凯川 王树谦

为了探究重金属胁迫下生物炭对玉米幼苗生长的影响,采用盆栽水培玉米幼苗,在无Pb2+和含Pb2+对照下观察不同裂解温度制备的生物炭对玉米幼苗生长的影响。研究结果表明：生物炭滤出液对玉米种子的萌发影响不显著, WS300(300℃生物炭)促进玉米幼苗的干物质量增加了27%, WS500(500℃生物炭)促进玉米幼苗的干物质量增加了35%。在Pb2+胁迫下,不同裂解温度生物炭对培养液中的Pb2+去除率达到了25%-30%,其中PWS300(含Pb2+的300℃生物炭)促进玉米幼苗茎长增加了25%、干物质量增加了30%。由此可见,生物炭在Pb2+胁迫下对玉米幼苗生长的促进作用有虽所减弱,但依然能明显促进玉米幼苗的早期生长。     

玉米秸秆生物炭对重金属镉、铅的吸附性能

利用玉米秸秆制备生物炭,进行吸附重金属Cd~(2+)和Pb~(2+)试验,分析生物炭吸附重金属的吸附量及吸附效率.试验结果表明:Cd~(2+)的最优吸附条件是pH为5,120 min吸附平衡.Pb~(2+)的最优吸附条件是pH为1,60 min吸附平衡;生物炭对养殖废水中Pb~(2+)和Cd~(2+)具有较好的吸附效果,吸附去除率分别为85%和98%,生物炭对Pb~(2+)的吸附效果明显优于Cd~(2+);Cd~(2+)和Pb~(2+)在秸秆生物炭表面上的吸附过程符合Freundlich等温吸附模型.     

生物炭对Cu(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)和Cd(Ⅱ)的单一及竞争吸附研究

分别以玉米秸秆、牛粪为原料,在500oC氮气保护的无氧气氛下热解生成玉米秸秆生物炭(BC)和牛粪生物炭(DMBC),分别探讨两种生物炭对水溶液中4种二价重金属离子(Cu~(2+),Pb~(2+),Ni~(2+)和Cd~(2+))的单一吸附效果,并进行4种重金属在生物炭上的竞争吸附实验,探讨金属离子间在生物炭上的相互作用关系。结果显示,两种生物质原料具有不同的元素组成,BC具有较大的比表面积,DMBC的平均孔径更大。在单一吸附过程中,BC对金属的吸附动力学过程具有相似性,而DMBC对不同金属的吸附速率差异较大。4种重金属离子在生物炭上的等温吸附过程可以用Langmuir方程较好地拟合,吸附容量的顺序为:Pb~(2+)Cu~(2+)Cd~(2+)Ni~(2+)。通过金属之间的竞争吸附实验,发现在生物炭上Pb~(2+)的竞争吸附能力最强,Cu~(2+)次之,而Ni~(2+)和Cd~(2+)竞争吸附能力较弱,其吸附过程容易受到其他二价金属离子的抑制。     

根施甜菜碱对铅胁迫下小麦幼苗根系的活性氧代谢影响

为了探究根施甜菜碱对铅胁迫下小麦幼苗根系的影响,以普通小麦品种"轮选988"为材料,采用溶液培养法,研究了根施甜菜碱对Pb2+胁迫下小麦根系生长的影响.结果表明:随着Pb2+浓度的提高,Pb~(2+)处理小麦的株高、根长和质量表现出先增加后降低的趋势,在Pb~(2+)5 mg·L~(-1)时达到最高值.在50 mg·L~(-1) Pb~(2+)胁迫条件下,小麦的生长发育受到强烈的抑制.然而,施用5.0 mmol·L~(-1)外源甜菜碱后,小麦幼苗的根长、株高、根鲜重和根干重分别上升了29.8%、 11.54%、 25.13%、 42.5%; SOD、 POD、 CAT、 APX分别升高了41.54%、43.85%、40.15%、40.48%;超氧阴离子自由基(O_2~-)含量、过氧化氢(H2O2)含量、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量分别下降了87.16%、63.21%、20.86%、71.14%;可溶性糖含量和根系活力分别上升了34.34%和56.50%.因此,根施适宜浓度外源甜菜碱可显著增强小麦幼苗根系的抗氧化能力,恢复根系活力,从而有效缓解铅胁迫对小麦幼苗生长的伤害.     

KMnO_4溶液中改性花生壳水热炭的形成、表征及其对Pb~(2+)的吸附性质

以花生壳为生物质原料,Pb~(2+)为模型污染物,在水和KMnO_4溶液中分别制备出花生壳水热炭(PSC)和锰改性花生壳水热炭(5%PSC,10%PSC和15%PSC),对水热炭的灰分、比表面积和元素组成进行了分析,用X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)进行了表征,并通过吸附率-pH曲线比较了锰改性对水热炭吸附性能的影响,研究了吸附热力学和动力学行为.结果表明,KMnO_4改性提高了花生壳水热炭的灰分含量,在水热炭中形成分散性的MnCO_3,使其比表面积、孔体积和孔径减小.锰改性提高了花生壳生物炭的吸附性能,按水热炭对Pb~(2+)的吸附率大小排列顺序为15%PSC10%PSC5%PSCPSC.在25℃及pH5.5条件下,PSC和5%PSC对Pb~(2+)的吸附过程遵循Freundlich吸附等温方程,而10%PSC和15%PSC对Pb~(2+)的吸附过程符合Langmuir等温吸附方程.10%PSC和15%PSC对Pb~(2+)的饱和吸附量分别为56.53,75.47mg/g.Pb~(2+)在锰改性和未改性生物炭上的吸附遵循准二级动力学方程,吸附率由大到小的顺序为15%PSC10%PSC5%PSCPSC.     

铅离子胁迫下盆栽玉米叶片光谱微分的红边响应研究

基于重金属铅(Pb)污染的盆栽实验玉米,采用光谱仪和叶绿素仪测量了不同浓度Pb~(2+)胁迫下玉米老、中、新叶片的反射光谱及其叶绿素含量;也运用质谱仪测定了不同胁迫浓度叶片中Pb~(2+)含量。对玉米老、中、新叶片中的叶绿素含量与各类叶片及土壤中的Pb~(2+)浓度进行了相关性分析;并为了区分玉米叶片铅离子污染程度和预测Pb~(2+)含量,提出了红边一阶微分曲线面积比值(FARR)和红边一阶微分峰前面积(FABR)参数;同时与常规红边一阶微分包围面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)、红边位置(REP)以及红边最大值(MR)作运用比较,实验结果表明,玉米叶片中的叶绿素含量从新叶、中叶到老叶逐渐增加,并随着土壤中Pb~(2+)浓度的升高而降低;受到Pb~(2+)胁迫时,新叶片到老叶片的REP"蓝移"更为明显;FARR和FABR在Pb~(2+)的胁迫程度区分和污染监测方面比FAR、FCDR、REP、MR具有更好的预测效果。     

铅、镉、铜对4种入侵植物种子萌发及幼苗生长的影响

采用纸皿法以去离子水为对照,研究了不同质量浓度Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)胁迫对4种入侵植物假酸浆(Nicandra physaloides)、屋根草(Crepis tectorum)、繁穗苋(Amaranthus paniculatus)和长毛月见草(Oenothera villosa)种子萌发及幼苗生长的影响,以为入侵植物在重金属污染土壤治理与修复中的利用提供新思路.结果表明:随着Pb~(2+)、Cd~(2+)和Cu~(2+)质量浓度的增大,4种入侵植物种子的发芽率、发芽指数、初生根长度、胚芽长度及幼苗的生物量呈下降趋势.其中,假酸浆种子的发芽率、发芽指数对Pb~(2+)、Cd~(2+)、Cu~(2+)胁迫不敏感(P0.05);不同重金属胁迫对4种入侵植物幼苗生长指标的抑制作用明显强于种子萌发特性.采用模糊数学隶属函数法对4种入侵植物进行了耐重金属胁迫评价,耐Pb~(2+)的强弱顺序为:假酸浆屋根草长毛月见草繁穗苋;耐Cd~(2+)的强弱顺序为:假酸浆屋根草长毛月见草繁穗苋;耐Cu~(2+)的强弱顺序为:假酸浆屋根草长毛月见草繁穗苋.综合分析假酸浆种子对重金属Pb~(2+),Cd~(2+)和Cu~(2+)的耐性较强,在土壤重金属污染治理中具有较大的应用潜力.     

黄芪废渣生物吸附剂的制备及其对Pb~(2+)的吸附

以黄芪废渣为原料,用均苯四甲酸二酐对其进行化学改性,并将其用于模拟废水中Pb~(2+)的吸附.通过傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜等方法对改性黄芪废渣生物吸附剂进行表征.结果表明:改性后黄芪废渣羧基官能团增加,表面粗糙,更有利于对Pb~(2+)的吸附.在pH值为5.0,吸附时间为1h,吸附剂量为10g·L~(-1)的条件下,对浓度为500mg·L~(-1)的Pb~(2+)吸附率为99.53%.改性吸附剂对Pb~(2+)的吸附可以用准二级动力学方程描述,等温吸附符合Langmuir和Freundlich模型,根据Langmuir方程,25℃时最大吸附量为193.1mg·g~(-1),高于黄芪废渣改性前的最大吸附量(58.89mg·g~(-1)).改性后的黄芪废渣生物吸附剂可以再生重复使用5次以上.     

不同生物质为原料的热解生物炭对Pb~(2+)的吸附作用

为了探讨生物质种类对制备热解生物炭吸附去除污染物性能的影响,以水曲柳、花生壳及牛粪为生物质原料,在400℃下热解4 h制备生物炭(FM-BC、PS-BC和CM-BC).对生物炭的产率、灰分、元素组成和表面官能团的变化进行了分析.结果表明,牛粪生物炭的产率最高(57.9%)、灰分最高(66.9%),同时碱性基团和酸性基团数量之比最大.用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)及场发射扫描电子显微镜(FESEM)进行了表征,结果表明,除牛粪生物炭外,其他两种生物炭生成了完全无定形的碳;观察生物炭的形貌,都呈现出多孔炭架结构,孔隙结构非常丰富,并且PS-BC的孔道轮廓更清晰完整.以Pb~(2+)为模型污染物,通过序批式吸附实验比较了不同生物炭的吸附性能,研究了其吸附热力学和动力学行为.在25℃及p H=5.5条件下,FM-BC、PS-BC和CM-BC对Pb~(2+)的饱和吸附量分别为11.99、31.9和197.99 mg·g~(-1),吸附能力由大到小的顺序为CMBCPS-BCFM-BC.吸附速率常数分别为0.001 37 g·mg-1·min~(-1),0.000 78 g·mg~(-1)·min~(-1)和0.068 g·mg~(-1)·min~(-1),吸附速率由大到小的顺序为CM-BCFM-BCPS-BC.研究证明,生物质的种类影响着生物炭对Pb~(2+)的吸附性能.     

花生壳生物炭对水中重金属Cr6+、Cu2+的吸附研究

生物碳因其来源广泛、低廉及良好的表面理化性能,作为吸附材料在处理水中有机及重金属污染方面具有较大的潜力。研究利用花生壳制得生物炭,用于处理含~(6+)和Cu~(2+)的模拟废水。探讨了接触时间、p H值、生物炭投加量及温度等对吸附效果的影响。结果表明,生物碳吸附~(6+)和Cu~(2+)时间在120 min达到平衡。在酸性条件下(p H=2~5),生物炭投加量为4g/L,温度为30℃时生物炭对~(6+)的吸附效果较好;在偏碱性条件下(p H≥5),生物炭投加量为10 g/L,温度为40℃时生物炭对Cu~(2+)有较好的吸附效果。通过Langmuir和Frenudlich吸附等温方程拟合,表明生物炭对~(6+)和Cu~(2+)的吸附过程更符合Frendlich模型,吸附过程可以用假二级动力学模型描述,说明吸附主要是表面化学吸附。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法研究

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

重构玉米叶片光谱的铜铅污染区分与其含量反演方法

利用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)、自相关函数一阶导数比值差(ratio difference of autocorrelation function first-order derivative,_(RDA))和多重分形理论,结合玉米盆栽实验,研究了铜(Cu~(2+))、铅(Pb~(2+))离子不同胁迫梯度下玉米叶片光谱去噪、叶片重金属污染的Cu和Pb元素区分以及叶片中Cu、Pb元素含量预测方法。通过光谱数据的EMD去噪与重构处理,得到不同浓度Cu、Pb胁迫下玉米叶片重构光谱;利用光谱自相关函数一阶导数(autocorrelation function first derivative,AFFD)及其比值差(_(RDA)),建立了Cu~(2+)、Pb~(2+)不同胁迫梯度下玉米叶片重构光谱的_(RDA)变化量(Cu_(RDA)、Pb_(RDA))计算公式;依据_(RDA)变化量曲线中紫光、绿峰、红光、红边、近谷、近峰多个波谱特征区间的Cu_(RDA)和Pb_(RDA)计算值,可明显地区分出叶片的Cu、Pb污染类别;另外,根据实测的玉米叶片中叶绿素、Cu~(2+)、Pb~(2+)含量与叶片重构光谱的多重分形谱参量之间相关性,构建了叶片中Cu~(2+)、Pb~(2+)含量反演的线性回归预测模型,经验证模型精度较高。     

生物聚合硫酸铁去除铅离子的絮凝机理研究

利用生物聚合硫酸铁絮凝剂对废水中Pb~(2+)进行絮凝实验及机理研究。探讨了pH值、Pb~(2+)初始浓度、投加量、反应时间和温度对絮凝效果的影响。最佳工艺条件为:BPFS投加量5%、pH 6、反应温度20℃及搅拌时间30 min,Pb~(2+)去除率可达到98%,絮凝性能优于传统絮凝剂。通过XRD、FT-IR及XPS表征分析絮凝机理可知,生物聚合硫酸铁絮凝剂在处理含铅废水过程中可提供大量羟基硫酸铁聚合物,Pb~(2+)会与羟基发生络合,在聚合和网捕作用下迅速脱稳聚沉。     

硒对不同重金属胁迫处理的小麦幼苗生理特征的影响

近年研究表明,Se~(4+)对土壤重金属污染具有缓解作用.作者研究增施不同质量浓度Se~(4+)对经过Hg~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)胁迫的小麦(蜀麦969和川农16)幼苗的生长、根系活力、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)以及丙二醛(MDA)等指标的影响.结果表明,当加入ρ(Se~(4+))=5 mg·L~(-1)时,受Hg~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)胁迫后小麦幼苗的根长、苗高、根系活力和CAT含量能够得到有效恢复,SOD活性和MDA含量下降.但加入ρ(Se~(4+))=15 mg·L~(-1)时,Hg~(2+)、Cd~(2+)和Pb~(2+)对小麦幼苗胁迫增强,且不同小麦品种间表现不一致,具有品种差异性.可见对于施用一定浓度的Se~(4+)可以缓解重金属对小麦幼苗的危害,但需要根据实验确定不同品种合适的施用量.这项研究结果进一步证实了适宜ρ(Se~(4+))对缓解重金属污染具有重要作用,为小麦种植过程中缓解重金属污染提供理论依据.     

电控煤基炭膜基于双电层效应高效分离稀溶液中铅离子

选用煤基管状炭膜作为电控离子交换膜电极,利用双电层-电控离子交换机制分离稀溶液中Pb~(2+),考察了操作方式(静态、动态)、膜电极电位、Pb~(2+)初始浓度和共存阳离子对Pb~(2+)电控分离性能的影响。实验结果表明:炭膜作为石墨化多孔炭材料,具有良好的电活性;在负电位条件下,利用炭膜电极表面与离子形成的双电层效应和含氧官能团的络合作用共同实现了Pb~(2+)的高效分离;在动态渗透过程中,吸附电位为-5 V时,渗透液中始终未检测到Pb~(2+);在多种阳离子共存溶液中,炭膜对Pb~(2+)仍然保持100%的去除率;此外,炭膜在5次吸脱附循环后,去除率仍可达96%,表现出良好的再生性能及循环稳定性。     

水稻秸秆生物炭对诺氟沙星的吸附性能研究

以水稻秸秆为原料,在300℃、400℃、500℃和600℃4个温度下制备生物炭,分别利用Boehm滴定、比表面积等方法对其进行表征,并研究了4种生物炭对诺氟沙星的吸附特征。结果表明,随着热解温度的升高,生物炭产率下降,表面碱性官能团数量和比表面积逐渐增加。4种生物炭对诺氟沙星的吸附率为B600B500B400B300,在投加量为0.4 g时,B600和B500的吸附率几乎接近100%,远高于B400和B300。对4种生物炭对诺氟沙星的吸附等温线进行拟合,B600符合Langmuir方程,其余3种符合Freundlich方程。4种生物炭对诺氟沙星的吸附反应过程满足准二级动力学方程,相关系数R20.9887,其中B300对诺氟沙星的吸附速率最大。     

植物抗盐剂对盐胁迫玉米幼苗水分代谢的效应

抗盐剂能明显能降低胁迫下玉米幼苗蒸腾速率，减少水分亏缺，增加束缚水／自由水比值，从而改善盐胁迫下组织水分状况，使幼苗保持较高的干物质积累和相对生长速率，为增产奠定了物质基础。     

磷酸化木质素的合成及对铅离子的去除性能

针对碱木质素对水溶液中金属离子去除能力有限、难以直接作为重金属离子吸附剂的现状,对其进行磷酸化改性.采用红外光谱、颗粒电荷分析、扫描电镜、原子吸收光谱等方法研究改性木质素对Pb~(2+)的吸附性能及相关机理.结果表明:改性后的木质素表面粗糙多孔,比表面积由2.12 m~2/g增加至11.17 m~2/g,能快速吸附Pb~(2+)且性能明显优于原碱木质素,其主要是通过磷酸根、酚羟基、羧基等带负电荷官能团与Pb~(2+)的静电作用,以及分子中的H~+与Pb~(2+)的离子交换作用进行吸附;磷酸化木质素对Pb~(2+)的去除性能主要受投加量、Pb~(2+)初始质量浓度、pH值和温度的影响;随着木质素投加量和溶液pH值的增大,磷酸化木质素对Pb~(2+)的去除率升高,在30℃下对Pb~(2+)的去除率达92.36%.     

低温密封法制备玉米秸秆不同部位生物炭及特性比较

针对玉米秸秆利用困难问题,探索玉米秸秆制备生物炭工艺及其理化性能,采用密封限氧法,以玉米秸秆皮、瓤、根为研究对象,分别在300 ℃/45 min、500 ℃/ 30 min、700 ℃/15 min条件下制备生物炭并分析其特性,包括炭产率、pH值、灰分含量、红外光谱和扫描电镜分析。结果表明：在300~700 ℃时,随温度升高,炭产率降低,热解失重速率先增后减,pH值均升高;相同条件下,生物炭特征吸收峰基本相同,表现为表面官能团总量减少,酸性官能团降低,碱性官能团增加。综合分析,秸秆根生物炭与秸秆瓤、秸秆皮生物炭材料功能性相近,研究结果可为玉米秸秆根部的资源化利用提供理论依据和技术支持。     

玉米酒糟对铅的吸附特征研究

采用玉米酒糟为吸附剂,以其添加量、溶液pH、Pb~(2+)初始浓度、反应时间、反应温度为影响因素,研究玉米酒糟对水中铅吸附特征及机制。结果表明,随玉米酒糟用量增加,吸附量下降;随Pb~(2+)初始浓度的增加、溶液pH的升高、吸附时间的延长以及温度的升高,玉米酒糟对铅的吸附量增加;动力学分析发现,伪二级动力学方程拟合的平衡吸附量(q_e=41.49 mg/g)与实际平衡吸附量(q_e=41.69 mg/g)较为接近;Langmuir等温吸附模型可较好地拟合玉米酒糟对Pb~(2+)的吸附;热力学计算参数结果显示△G0、△H0、△S0,表明玉米酒糟对铅的吸附为非自发吸热的熵增过程;玉米酒糟表面的羟基、羧基、羰基可通过表面官能团络合作用吸附Pb~(2+);玉米酒糟对铅的吸附机制包含物理吸附、络合作用、离子交换和静电吸附。