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铁改性生物炭是一种负载有铁矿物的生物炭复合材料,在重金属污染修复和有机污染物降解中有广泛研究。铁改性生物炭上铁的形态和分布影响着生物炭的物理化学性质,进而控制着铁改性生物炭在环境污染修复中的效果。前人在铁改性生物炭中铁形态及分布表征方面还有待提升和完善。因此,本研究运用同步辐射技术对铁进行表征,并探究生物炭在重金属污染修复中的应用。
运用铁试剂(FeCl3或FeSO4)浸泡杨木木块,滤出烘干后分别在不同温度下(300、600、900℃)高温热裂解制备出不同的生物炭。X射线近边吸收光谱技术(XANES)和拓展边X射线精细结构(EXAFS)分析拟合出不同类型的生物炭中铁以不同的形态存在(图1)。高温时有零价铁存在;氯化铁改性生物炭中温度越高氯化铁占比越小;硫酸亚铁改性生物炭中,温度越高Fe与S的结合方式发生变化。SEM-EDX和共聚焦微区X射线荧光成像技术表明,Fe在生物炭中的分布受到温度变化影响,温度越高,铁越向生物炭表面汇聚。
图1 FeCl3或FeSO4改性生物炭中Fe形态及分布随着热裂解温度升高的变化情况
选取FeCl3BC900和BC900分别用于As(III)、As(V)、Cr(VI)、Hg(II)污染修复(图2),铁改性显著提升了生物炭对这些重金属的修复效率,且将各种污染物以更加稳定、低毒性的形态固定下来,是一种潜力的生物炭改性方式。
图2 BC900和FeCl3BC900对As(III)、As(V)、Cr(VI)、Hg(II)污染修复效率对比;FeCl3BC900固定的As、Cr XANES图谱及Hg EXAFS图谱R边拟合图
将上述六种铁改性生物炭及300、600、900℃条件下高温热裂解制备的不改性生物炭用于模拟地下水中Hg(II)的污染修复。温度越高,去除效率越高;600、900℃制备的铁改性生物炭对Hg(II)去除率较不改性显著提升;300℃制备的铁改性生物炭对Hg(II)去除率较不改性降低或者基本不变(图3)。表明铁改性生物炭用于Hg(II)污染修复不一定在所有温度下都适用,600、900℃效果较好。
Hg EXAFS拟合表明,Hg与BC900、FeCl3BC900、FeSO4BC600、FeSO4BC900以Hg-S形式固定;Hg在BC300、BC600上以Hg-O形式存在;Hg与FeCl3BC300、FeCl3BC600、FeSO4BC300以Hg-Cl配位结合。综合S2p XPS数据、水化学模拟结果等,分析得出,当生物炭上分布较多硫化物、巯基时,Hg与S结合;其他情况下,Hg在生物炭上的固定形式受到液相中Hg的存在形态影响。和共聚焦微区X射线荧光成像技术图像分析得到生物炭上Hg的分布在Hg-S形成时受到S分布的影响;其他情况下Hg的分布主要受到生物炭孔隙性质的影响。
图3 不改性、FeCl3改性、FeSO4改性生物炭对Hg(II)去除效果及反应前后溶液中总Hg浓度变化情况;不同类型生物炭对Hg(II)污染修复的机理
本研究表征了不同热解温度、不同改性试剂条件下制备的铁改性生物炭中铁的形态及分布情况,为铁改性生物炭的应用提供基础;探究了铁改性在生物炭应用中的广阔前景,可以将多种重金属污染物以毒性低、迁移性弱的形式固定;将不改性和铁改性的生物炭用于Hg(II)污染模拟地下水修复,表面600或900℃制备的铁改性生物炭显著提升了Hg(II)的污染修复效率;不同生物炭对Hg(II)的去除机理差异,主要受到生物炭上是否含有金属硫化物、巯基等组分,液相中Hg的主要存在形态等因素影响;Hg在生物炭上的分布情况主要受到金属硫化物、巯基的分布情况,生物炭的孔隙性质影响;筛选出三种对Hg(II)去除率>99%的生物炭,为后续实验及场地应用提供理论基础。
本研究来自中国地质大学(武汉)环境学院刘鹏老师课题组,近期分别以“Distribution and speciation of iron in Fe-modified bios and its application in removal of As(V), As(III), Cr(VI), and Hg(II): An X-ray absorption study”在线发表于Journal of Hazardous Materials,以“Mechanistic Investigation of Mercury Removal by Unmodified and Fe-modified Bios Based on Synotron-based Methods”在线发表于Science of the Total Environment. 论文第一作者为博士生冯宇,通讯作者为刘鹏教授。该研究工作受到水污染控制与治理重大科技专项(2018ZX07110),自然科学基金(41521001、41877478)等项目资助。
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