生物炭及四氧化三铁改性生物炭对塑料颗粒在多孔介质中迁移行为的影响

科技工作者之家 2020-01-14

来源:农环视界

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生物炭是一种富含碳的物质,是通过在无氧条件下热解废弃生物质(木材、树叶、稻草或肥料等)而合成的。它在土壤修复中被广泛应用于固定土壤中的重金属和有机物。由于生物炭的去除效果较差,很多研究通过改性生物炭提高生物炭对污染物的去除效果。然而,改性生物炭的回收利用也是一个难题。Fe3O4颗粒在特定条件下具有正的zeta电位,有较好的吸附负电荷污染物的潜力,并且可以通过外加磁场回收。因此,本研究旨在制备生物炭和Fe3O4改性生物炭(Fe3O4-biochar),并进一步比较它们在不同溶液条件下(5 和25 mM NaCl)固定化不同粒径(0.02, 0.2, 2 μm)塑料颗粒方面的潜力。

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生物炭及四氧化三铁改性生物炭对塑料颗粒在多孔介质中迁移行为的影响

研究通过石英砂柱实验对比了空白石英砂柱、掺杂biochar以及掺杂Fe3O4-biochar(掺杂比为0.5%)的石英砂柱中,三种粒径的塑料颗粒(0.02, 0.2, 2 μm)的迁移能力。研究发现无论高低离子强度,生物炭与Fe3O4改性生物炭均抑制三种粒径塑料颗粒的迁移,并且Fe3O4改性生物炭对塑料颗粒固定能力更强。

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在5 mM NaCl溶液条件下,空白石英砂柱与掺杂biochar/Fe3O4-biochar石英砂柱中,三种粒径塑料颗粒的穿透曲线与截留曲线

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在25 mM NaCl溶液条件下,空白石英砂柱与掺杂biochar/Fe3O4-biochar石英砂柱中,三种粒径塑料颗粒的穿透曲线与截留曲线

深入研究机理发现掺杂生物炭/Fe3O4改性生物炭会改变流出液性质、增加石英砂表面的粗糙度并且降低塑料颗粒与石英砂之间的电性斥力,从而促进塑料颗粒的沉积。此外,研究发现,虽然生物炭和Fe3O4(正电荷)都可以吸附塑料颗粒,但沉积在生物炭表面的Fe3O4可能比生物炭和Fe3O4的混合物(简单的物理混合)具有更好的吸附性能。这是由于Fe3O4具有磁性,倾向于形成团聚体,其与塑料颗粒接触的有效面积降低。但沉积在生物炭表面的Fe3O4颗粒均匀地沉积在生物炭表面,很难形成团聚体。因此Fe3O4改性生物炭更有利于塑料颗粒的吸附。

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在5 mM NaCl溶液中,0.02 μm NPs在空白石英砂柱、掺杂0.5%的生物炭、掺杂0.5%的生物炭、掺杂0.09%的四氧化三铁、掺杂0.41%的生物炭与0.09%四氧化三铁的简单混合物以及0.5%的四氧化三铁改性生物炭的穿透曲线(a)和穿透效率(b)

研究使用低离子强度(0.1 mM)高流速的NaCl溶液(模拟暴雨)冲洗石英砂柱时,<1%的生物炭/Fe3O4改性生物炭被冲出。同时,从空白石英砂柱、掺杂生物炭的石英砂柱以及掺杂Fe3O4改性生物炭的石英砂柱中,分别释放约16.5%,14.6%和7.5%塑料颗粒。此外,通过外加磁铁的作用可以回收约74%改性生物炭。进一步的探究发现,在不饱和的石英砂柱中,掺杂生物炭与Fe3O4改性生物炭可以抑制塑料颗粒的迁移;并且将生物炭或者Fe3O4改性生物炭作为一层可渗透反应墙(PRB)掺杂于柱子底部时,也可以抑制塑料颗粒的迁移。

参考文献

[1] Tong, M., He, L., Rong, H., Li, M., Kim, H., 2019. Transport behaviors of plastic particles in saturated quartz sand without and with biochar/Fe3O4-biochar amendment. Water Research 169, 115284-115284.

[2] Li, M., He, L., Zhang, M.Y., Liu, X.W., Tong, M.P., Kim, H., 2019. Cotransport and Deposition of Iron Oxides with Different-Sized Plastic Particles in Saturated Quartz Sand. Environ. Sci. Technol. 53, 3547-3557.

[3] Peng, S., Wu, D., Ge, Z., Tong, M., Kim, H., 2017. Influence of graphene oxide>[4] Shen, Z., Zhang, J., Hou, D., Tsang, D.C.W., Ok, Y.S., Alessi, D.S., 2019. Synthesis of MgO-coated corncob biochar and its application in lead stabilization in a soil washing residue. Environ. Int. 122, 357-362.

联系作者

童美萍,研究员,北京大学环境科学与工程学院,Email:tongmeiping@pku.edu.cn

来源:nhsj-wx 农环视界

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多孔介质 四氧化三铁

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