添加小麦秸秆生物炭对黄土吸附苯甲腈的影响

蒋煜峰,Uwamungu Jean Yves,孙 航,胡雪菲,慕仲锋,展惠英



添加小麦秸秆生物炭对黄土吸附苯甲腈的影响

蒋煜峰1*,Uwamungu Jean Yves1,孙 航1,胡雪菲1,慕仲锋1,展惠英2

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院,甘肃 兰州 730070；2.兰州文理学院化工学院,甘肃 兰州 730000)

选择苯甲腈为目标污染物,研究添加不同热解温度制备小麦秸秆生物碳对黄土吸附苯甲腈的影响. 研究表明:不加生物炭黄土对苯甲腈的吸附约8h达到平衡,而加入生物炭后,黄土对苯甲腈的吸附时间缩短,并随着加入生物炭热解温度的升高,吸附平衡时间缩短越明显,同时,黄土对苯甲腈的饱和吸附量也显著增加;添加生物炭黄土对苯甲腈的动力学吸附数据显示较好的符合了准二级动力学方程;无论是否添加生物炭,苯甲腈在黄土上的吸附都符合Freundlich吸附的等温模型,随系统温度升高,添加生物炭黄土对苯甲腈的饱和吸附量也显著增加,表明该吸附过程为吸热反应;苯甲腈在黄土上的吸附等温线符合C-型吸附等温模式. 计算结果显示,平均吸附自由能介于1.865~3.171kJ/mol,表明苯甲腈在黄土上的吸附,无论是否添加生物炭,都以物理吸附为主;热力学参数计算结果显示,无论是否添加生物炭,黄土对苯甲腈的吸附过程中吉布斯自由能ΔG均小于0、熵变ΔS和焓变ΔH均大于0,表明土壤对苯甲腈的吸附为自发进行的吸热过程. 研究结果说明,添加生物炭黄土对苯甲腈的吸附过程包含表面吸附和颗粒内部扩散、外部液膜扩散等机制.

黄土；苯甲腈；吸附动力学；吸附热力学；吸附机理

随着现代农业生产的快速发展,农户通过使用大量的,大大提高了农业产量;但是,过量农药的使用大大的改变了生态系统,对人体健康

造成了严重危害,部分农药通过各种途径在食物链中得到聚集进而对整个生态环境造成长远的影响[1-3]. 苯甲腈及其衍生化合物作为重要的有机合成原料和中间体,在医药、农药、染料等方面有着广泛的应用[4].其具有较强毒性,直接接触可经皮肤吸收引起中毒,造成动物组织的痉挛和神经麻痹等症状[5].苯甲腈作为典型农药的一种,被大量引入到环境中,可通过土壤进入地下水甚至食物链中对生态环境和人类健康造成危害.

进入土壤的农药会发生一系列的物理、化学及生物过程,而吸附/解吸是控制农药在土壤环境中迁移转化的极其重要的过程之一.农药的吸附/解吸行为主要受土壤理化性质、土壤质地(不同粒径分布)及污染物本身性质的影响[6-7].因此,研究农药与土壤之间的吸附机制及影响因素一直是环境研究的热点[8-9].生物炭应用到土壤改良可以有效的改善土壤环境、提高粮食产量、同时还可以降低环境风险,由此生物炭的应用受到了广泛关注[10-11].生物炭具备较强吸附能力和抗氧化能力等特性,能够有效去除环境中多种污染物,可作为一种廉价高效的吸附剂用于有机污染治理[12-13].研究表明,生物炭对有机污染物的吸附作用是普通土壤的400~2500倍,施用少量的生物炭即可大幅提高土壤对有机污染物的吸附容量,并表现出较强的剂量效应[14].根据这一特性,研究者对它在土壤和水体中的有机污染物的控制与治理方面开展了广泛的研究[15-16].然而,生物炭的土壤改良行为还会影响污染物在环境中的迁移转化、生态效应以及受污染环境介质的控制和修复过程[17-19]. Kasozi等[20]、张继义等[21]在厌氧条件下进行控温炭化,制备了小麦秸秆生物炭.研究表明,生物炭来源和制备温度的不同对生物碳无定型活性组分改变较显著,导致不同温度条件下制备的生物碳性能存在显著差异[10,13,20],因此,对添加不同来源及温度制备生物炭改良土壤后对有机污染物吸附的研究具有重要的理论和现实意义.

随着农业现代化进程和农村能源结构改变,农作物秸秆资源大量废弃,就地焚烧秸秆现象日益严重[22].目前,甘肃省作物秸秆主要以畜禽粗饲料和秸秆还田等方式利用,但仍有大量作物秸秆以生活燃料和露天焚烧的形式损失,既造成了区域大气环境污染问题,又加剧了碳减排的压力.将秸秆转化为生物炭再返田,不仅避免了秸秆焚烧,而且增加了土壤固碳量,同时为资源综合利用提供了有效途径.西北地区黄土结构疏松,孔隙度大,透水性强,团聚能力差,土壤有机质含量普遍贫乏,土壤贫瘠[23].因而黄土中添加生物炭可以有效提高黄土的有机质含量及保水性等,但针对添加生物炭黄土吸附有机污染物的相关研究鲜见报道.因此,本文以苯甲腈为目标污染物,研究生物炭对黄土吸附苯甲腈的影响,结合吸附动力学和吸附热力学模型拟合结果,旨在揭示西部地区黄土对苯甲腈的吸附机制及规律,为治理和控制苯甲腈的污染提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

苯甲腈储备液:准确称取250.0mg苯甲腈,用甲醇溶解,再用甲醇定容到500mL容量瓶中,配成500mg/L储备液.在吸附实验中,在少量的苯甲腈液中加入大量的去离子水,故少量甲醇的存在并不能影响吸附过程.

实验仪器:UV-2100紫外分光光度计(尤尼柯上海仪器有限公司);恒温鼓风干燥箱(上海琅玕实验设备有限公司);KH-500DE型数控超声波清洗器(昆山禾创超声仪器有限公司);FA10 4分析电子天平(上海良平仪器有限公司);多功能恒温水浴振荡器(江苏正基仪器有限公司);TDL- 40B型离心机(上海安亭科学仪器厂).

1.2 供试黄土

天然黄土取自甘肃兰州城区植物园表层0~25cm土壤,经检测未受苯甲腈污染.自然风干后研碎,过100目筛以备用.土样pH值为8.02,含水量1.85%,土壤有机质含量10.84g/kg,黏粒占4.51%,粉粒占54.33%,砂粒占41.16%.

1.3 生物碳的制备与表征

采用限氧控温碳化法:将小麦秸秆粉末前期浸泡处理,称取50g过60目筛的小麦秸秆生物质粉末于密闭坩埚,置于马弗炉中,马弗炉温度缓慢升高至(200,400,600℃),将生物质秸秆粉末碳化2h,温度缓慢降低到200℃以下,取出碳化物质;用稀盐酸浸泡2h除灰;用去离子水洗至中性,于70~80℃过夜烘干;生物碳样品编号为BC- 200、BC-400、BC-600.采用热重分析、元素分析、红外光谱分析、比表面积分析和电镜扫描表征小麦秸秆生物碳的结构特征[22],详细结果见表1.

表1 秸秆生物碳的比表面积、孔容、孔径及元素分析Table 1 Specific area, pore volume and aperture of biochar

1.4 试验方法

1.4.1 吸附动力学试验方法 取4组各9支50mL的离心管,取1组直接加入黄土0.5000g做为对照,另外3组分别加入0.5000g土样和0.002g BC200,BC400和BC600生物炭,再依次加入50mL质量浓度为5mg/L的苯甲腈溶液,实验过程中0.01mol/L的氯化钙溶液作为稀释液,在25 ℃下恒温振荡(200r/min)24h,控制振荡时间依次为0.5,1,2,4,6,8,12,18,24h,取出样品,4000r/min离心15min,测定上清液中苯甲腈的浓度,确定土样对苯甲腈的吸附平衡时间,每个实验平行3组,求均值.

1.4.2 吸附热力学实验方法 取4组各9支50mL的离心管,取1组直接加入黄土0.5000g做为对照,另外3组分别加入0.5000g土样和0.002g BC200,BC400和BC600生物炭,再依次加入50mL质量浓度分别为1,2,3,5,7,10,13,15,17mg/L的苯甲腈溶液,离心管里加入0.01mol/L的氯化钙溶液作为空白试验,在25℃下200r/min恒温振荡24h. 静置2h,4000r/min离心15min,测定上清液中苯甲腈的浓度.实验过程中0.01mol/L的氯化钙溶液作为稀释液,在25,35,45℃条件下采用同样方法进行等温吸附实验,每个实验平行3组,求均值.

1.5 数据处理

准一级动力学模型、准二级动力学模型以及颗粒内扩散模型常用来表征污染物在颗粒物上的吸附过程,并且根据不同的吸附模型来说明吸附过程属于物理作用还是化学作用.准一级动力学模型[24-25]、准二级动力学模型[26]以及颗粒内扩散模型[27]的线性方程分别如式(1)、(2)、(3)所示:

式中:为吸附时间,min;1和2为平衡吸附容量; mg/g;q为时的吸附容量,mg/g;1为准一级吸附动力学速率常数,min-1;2为准二级吸附动力学速率常数,g/(mg·min);p为颗粒内扩散速率常数, mg/(g×min1/2).其中,1、2、由式(1)、(2)、(3)的截距可得,1、2、p由式(1)、(2)、(3)的斜率可得.

本文采用Langmuir、Freundlich及Dubinin- Radushkevich(D-R)等温吸附模型对苯甲腈在西北黄土上的吸附数据进行分析, Langmuir、Freundlich及D-R方程的线性方程分别如式(4)、(5)、(6)所示[28-30]:

式中:s为黄土对苯甲腈的吸附容量,mg/g;C为苯甲腈在液相中的质量浓度,mg/L;m为土样中苯甲腈的饱和吸附容量,mg/g;L为Langmuir吸附常数;F和为Freundlich吸附常数;为与吸附自由能有关的常数;为Polanyi势能,ln(1+1/e),其中为气体常数;为平均吸附自由能,=1/(-2)1/2.式中,m、F由式(4)、(5)、(6)的截距可得,L、、由式(4)、(5)、(6)的斜率可得.

利用式(7)和(8)计算吸附过程的吉布斯自由能变Δ,焓变Δ及熵变Δ等热力学常数[31].

式中:为理想气体摩尔常数;是吸附平衡常数;是吸附温度.以ln~1作图,根据直线的斜率和截距分别求得焓变Δ及熵变Δ.

2 结果与讨论

2.1 吸附动力学

由图1可知,在黄土中添加小麦秸秆制的生物炭可以有效的提高黄土对苯甲腈的饱和吸附量.同时可以看出,不加生物炭黄土对苯甲腈的吸附约8h达到平衡,而加入生物炭后,黄土对苯甲腈的吸附时间缩短,并随着加入生物炭热解温度的升高,吸附平衡时间缩短越明显,添加生物炭黄土对苯甲腈的饱和吸附量也显著增加.当加入BC600的生物炭时,苯甲腈的吸附平衡时间时2h,黄土对苯甲腈的饱和吸附量0.192增加到了0.382mg/kg,饱和吸附量增加了98.95%.从图1明显可以看出,黄土在苯甲腈初始浓度相同时,加入不同热解温度生物炭对其饱和吸附量增加的趋势为BC600>BC400>BC200.

由图1可见,无论是否添加生物炭,黄土对苯甲腈的吸附都分为快慢两个过程,吸附初始约2h为快速吸附阶段,2~6h为慢速吸附阶段,超过6h,吸附逐渐趋于平衡.研究表明,有机污染物在土壤中的吸附可分为快慢两个阶段,其快速吸附阶段归因于其在土壤有机质中的分配作用和在矿物规则表面的物理性吸附作用[32].对于土壤中有机污染物的分配和吸附而言,分子间相互作用力主要表现为范德华力、偶极力、诱导偶极力以及氢键力,而这些作用通常在相当短的时间内完成[33].有机污染物在土壤中的慢反应则是通过扩散作用由液相缓慢进入土壤微孔隙和土壤有机质等固相部分[34],有机污染物为了能够到达所有的限速吸附位点,必须通过膜扩散穿透包裹在土壤固相表面相对静止的水分子层,然后通过孔隙扩散进入土壤微孔隙,最后通过基质扩散进入土壤固相内部,有机污染物的扩散系数按上述的扩散顺序递减[33].

由表2可见,加入BC200、BC400和BC600生物炭时,准一级动力学方程的2值分别是0.755、0.621和0.8281,准二级动力学方程拟合的2值分别为0.951、0.958和0.998,而内部扩散模型拟合的2值分别为0.817、0.842和0.863,说明苯甲腈在黄土上的吸附过程拟合最优方程是准二级动力学方程;动力学数据还采用内部扩散模型进行了拟合,有研究表明,当q与1/2进行线性拟合,若呈线性且经过原点,表明内部扩散以速率控制为主[35-36],若是不经过原点,则表明吸附受到固体颗粒表面液膜影响,速率控制并非单独起作用[36-37].拟合结果显示,黄土及添加BC200、BC400和BC600的黄土对苯甲腈吸附内部扩散模型拟合的2值分别为0.832、0.817、0.842和0.863,表明其呈现一定的线性,且不经过原点,因此,说明兰州黄土对苯甲腈的吸附过程包含表面吸附和颗粒内部扩散、外部液膜扩散等机制[38].

表2 添加生物炭黄土对苯甲腈吸附动力学特征参数Table 2 Eigenvalue for the kinetic sorption equation of benzonitrile on loess soil affected by biochar

2.2 吸附热力学

由图2可见,随着控制系统温度升高,加入BC400的黄土对苯甲腈的饱和吸附量明显升高,并且45℃吸附量明显比35℃和25℃高,随系统温度升高,呈现黄土饱和吸附量增加的趋势,表明添加生物炭的黄土对苯甲腈的吸附为吸热反应.

由表3得知,Freundlich等温吸附模型拟合r比Langmuir等温吸附模型拟合r值都要大,所以在25,35,45℃时,加入BC200、BC400和BC600生物炭,黄土对苯甲腈的吸附过程均更加符合Freundlich等温吸附模型,表明,添加生物炭黄土颗粒表面能量分布不均匀,在吸附过程中,黄土颗粒表面的位点被苯甲腈分子占据所依照的顺序是能量由高到低的顺序,并且随着苯甲腈占据添加生物炭黄土颗粒表面位点增多,吸附热焓呈对数降低.由图2可见,吸附曲线大致符合L-型吸附等温线,有以下几个特点:首先存在于吸附剂和吸附质之间的作用力为分子间引力,其强度较强;其次,吸附剂和吸附质之间有多种相互作用;第三,吸附过程中不存在或存在很小的竞争吸附[37]. 热力学吸附结果采用D-R模型进行拟合,表3显示其平均自由能无论是否添加生物炭,其值都介于1.865~ 3.171kJ/mol,Kiran等[39]研究指出,若吸附过程中,<8kJ/mol,则吸附以物理吸附为主,若>8kJ/mol,则主要表现为化学吸附. 因此说明,苯甲腈在黄土上的吸附,无论是否添加生物炭,都以物理吸附为主.

表3 添加生物炭黄土吸附苯甲腈热力学拟合特征值Table 3 Eigenvalue of isothermal sorption equation of benzonitrile on loess soil affected by biochar

2.3 吸附热力学参数

对ln~1/做图,根据所做的直线的斜率和截距分别求得焓变ΔH和熵变ΔS,计算结果见表4.由表4中可以得出,在系统温度25~45℃范围内,加入BC200、BC400和BC600的生物炭时,黄土土壤对苯甲腈的吸附过程中吉布斯自由能ΔG均小于0、熵变ΔS和焓变ΔH均大于0,表明土壤对苯甲腈的吸附为自发进行的吸热过程.吸附熵ΔS大于0,所以在吸附过程中有序度减小.

表4 添加生物炭黄土对苯甲腈等温吸附热力学参数值Table 4 Thermodynamic parameters calculated for the sorption of benzonitrile on loess soil affected by biochar

Tan等[40]、谢国红等[41]和Vonopen等[42]指出ΔH值在4~10kJ/mol,吸附以范德华力起主导;在2~40kJ/mol,氢键作用其主要作用;在5kJ/mol左右时,疏水性键起主导作用;在2~29kJ/mol,取向力其主要作用;当ΔH大于60kJ/mol时,吸附中化学键起主导作用.由表4,添加不同温度热解生物炭,其ΔH由2.77kJ/mol增加到6.34kJ/mol,表明,苯甲腈在添加生物炭黄土上的吸附多种物理性作用为主,这主要是由于随着加入生物炭热解温度的升高,其吸附逐渐趋于以疏水键作用起主导,这可能是由于随着炭化温度的升高,生物炭的芳香性增加,即从“软炭”域逐渐过渡到“硬炭”域,对疏水性有机污染物的亲和力增强[43].

2.4 添加不同温度制备生物炭对土壤吸附苯甲腈的影响

图3为相同温度时,添加不同热解温度制备生物炭对黄土吸附苯甲腈的影响曲线.由图3可以看出,在25℃条件下,分别加入BC200、BC400和BC600 3种生物炭.当加入BC600生物炭时对兰州黄土吸附苯甲腈的影响远远大于其他两种,并且随生物炭热解温度升高,黄土对苯甲腈的吸附效率和饱和吸附量都急剧增加;影响最小的是BC200的生物炭,它随苯甲腈浓度的增加时,呈现微小的增长趋势,并且吸附的效率停留在一个很低的水平.研究表明[44-45],随着制备生物炭热解温度的升高,生物质炭C/H比逐渐增大,芳香性程度逐渐增加,且随着炭化温度的升高,表面孔穴逐渐增加,孔结构发生明显变化,孔隙结构愈显发达,微孔有所发展,比表面增大;同时,随着炭化温度的升高,生物炭的芳香性增加,即从“软炭”域逐渐过渡到“硬炭”域,对疏水性有机污染物的亲和力增强,生物质炭的分配介质与疏水性有机污染物之间的极性匹配性增大,分配系数Kd亦随之增大[43-45].由表2可知,随着秸秆制备生物炭热解温度的由200℃升高至600℃,生物质炭C/H比由0.484下降为0.226,生物炭比表面积由1.72上升至521.29m2/g,总孔体积由0.0080mL/g上升至0.3222mL/g,平均孔径由18.63nm下降至2.47nm,说明随着炭化温度的升高,秸秆生物炭芳香性增加,表面孔穴逐渐增加,微孔增加,比表面积增大,因此,导致添加高温度下热解生物炭对苯甲腈的吸附效率和速率都急剧增加.

3 结论

3.1 在黄土中添加小麦秸秆制的生物炭可以有效的提高黄土对苯甲腈的饱和吸附量. 同时加入生物炭后,黄土对苯甲腈的吸附时间缩短,并随着加入生物炭热解温度的升高,吸附平衡时间缩短越明显,添加生物炭黄土对苯甲腈的饱和吸附量也显著增加.

3.2 无论是否添加生物炭,黄土对苯甲腈的吸附都分为快慢2个过程,吸附初始约2h为快速吸附阶段,2~6h为慢速吸附阶段,超过6h,吸附逐渐趋于平衡.苯甲腈在黄土上的吸附过程拟合最优方程是准二级动力学方程;黄土对苯甲腈的吸附过程包含表面吸附和颗粒内部扩散、外部液膜扩散等机制.

3.3 随着控制系统温度升高,加入BC400的黄土对苯甲腈的饱和吸附量明显升高,表明添加生物炭的黄土对苯甲腈的吸附为吸热反应.无论是否添加生物炭,黄土对苯甲腈的吸附过程均更加符合Freundlich等温吸附模型,且吸附都以物理吸附为主.

3.4 加入生物炭时,黄土土壤对苯甲腈的吸附过程中吉布斯自由能ΔG均小于0、熵变ΔS和焓变ΔH均大于0,表明土壤对苯甲腈的吸附为自发进行的吸热过程.吸附熵ΔS大于0,所以在吸附过程中有序度减小,且苯甲腈在添加生物炭黄土上的吸附以多种物理性作用为主.

3.5 在25℃条件下,分别加入BC200、BC400和BC600,随生物炭热解温度升高,秸秆生物炭芳香性增加,表面孔穴逐渐增加,微孔增加,比表面积增大,导致添加生物炭黄土对苯甲腈的吸附效率和饱和吸附量都急剧增加.

[1] Rasmussen J J, Wiberg-Larsen P, Baattrup-Pedersen A, et al. The legacy of pesticide pollution: An overlooked factor in current risk assessments of freshwater systems [J]. Water Research, 2015,84:25–32.

[2] Gevao B, Semple K T, Jones K C. Bound pesticide residues in soils: a review [J]. Environ. Pollut, 2000,108(1):3–14.

[3] Navarro S, Vela N, Navarro G. An overview on the environmental behaviour of pesticide residues in soils [J]. Spanish Journal of Agricultural Research, 2007,5(3):357–375.

[4] Liu A A, Huang Z, Deng G H, Guo Y. Adsorption of benzonitrile at the air/water interface studied by sum frequency generation spectroscopy [J]. Chinese Science Bulletin, 2013,58(13):1529- 1535.

[5] International Program on Chemical Safety (IPCS), ICSC1103 Benzonitrile[R/OL], http://www.inchem.org/documents/icsc/icsc/ eics1103.htm.

[6] 曾 芳,刘忠珍,王荣辉,等.理化性质对土壤吸附-解吸苄嘧磺隆的影响 [J]. 环境科学研究, 2015,28(7):1107-1113.

[7] 张 涛,徐冰冰,吴丰昌.腐殖酸对苯并三唑的吸附动力学及热力学研究 [J]. 环境科学研究, 2014,27(5):540-546.

[8] 高敏苓,宋文华,依艳丽.棕壤不同粒径组分对阿特拉津吸附-解吸作用的影响 [J]. 南开大学学报(自然科学版), 2009,42(6): 92-98.

[9] BUSTER H R. Atrazine and other S-trazine herbicides in lakes and rains in Switzerland [J]. Environmental Science and Technology, 1990,24:1049-1058.

[10] 杨炜春,王琪全,刘维平.除草剂阿特拉津在土壤-水环境中的吸附及其机理 [J]. 环境科学, 2000,21(4):94-97.

[11] Lehmann J, Joseph S. Biochar for Environmental Management: Science, Technology and Implementation [M]. Earthscan Publications Ltd., London, UK. 2015.

[12] 郎印海,刘 伟,王 慧.生物炭对水中五氯酚的吸附性能研究 [J]. 中国环境科学, 2014,34(8):2017-2023.

[13] 孙宏文编.生物炭与环境 [M]. 北京:化学工业出版社, 2013.

[14] 王 宁,侯艳伟,彭静静,等.生物炭吸附有机污染物的研究进展 [J]. 环境化学, 2012,31(3):287-295.

[15] Hao F H, Zhao X C, Ouyang W, et al. Molecular structure of corncob-derived biochars and the mechanism of atrazine sorption [J]. Agron. J. 2013,105(3):773–782.

[16] Tan X, Liu Y, Zeng G, et al. Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous Solutions [J]. Chemosphere, 2015,125:70–85.

[17] Ahmad M, Rajapaksha A U, Lim J E, et al. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: A review [J]. Chemosphere, 2014,99:19–33.

[18] Xiao F, Pignatello J J. Interactions of triazine herbicides with biochar: Steric and electronic effects [J]. Water Research, 2015, 80:179–188.

[19] Cabrera A, Cox L, Spokas K, et al. Influence of biochar amendments on the sorption-desorption of aminocyclopyrachlor, bentazone and pyraclostrobin pesticides to an agricultural soil [J]. Sci. Total Environ. 2014, 470–471:438–443.

[20] Kasozi G N, Zimmerman A R, Nkedi-Kizza P, et al. Cate and humic acid sorption onto a range of laboratory-prod black carbons (biochars) [J]. Environmental science technology, 2010, 44(16):6189-6195.

[21] 张继义,李金涛,鲁华涛,等.小麦秸秆生物碳质吸附剂从水中附硝基苯的机理 [J]. 环境科学研究, 2012,25(3):333-339.

[22] 杨 乐,邓 辉,李国学,等.新疆绿洲区秸秆燃烧污染物释放量及固碳减排潜力 [J]. 农业环境科学学报, 2015,34(5):988-993.

[23] 胡雪菲.生物碳对寒旱区石油污染黄土中多环芳烃吸附行为影响的研究 [D]. 兰州:兰州交通大学, 2014.

[24] Ho Y S, McKay G. Sorption of dye from aqueous solution by peat [J]. Chemical Engineering Journal, 1998,70:115-124.

[25] Ho Y S, McKay G. The kinetics of sorption of basic dyes from aqueous solution by sphagnum moss peat [J]. Canadian Journal of Chemical Engineering, 1998,76:822-827.

[26] Ho Y S, McKay G. Kinetic models for the sorption of dye from aqueous solution by wood [J]. Journal of Environmental Science and Health Part B: Process Safety and Environmental Protection, 1998,76(B2):183-191.

[27] Weber W J, Jr Morriss J C. Kinetics of adsorption on carbon from solution [J]. Journal of Sanitary Engineering Division: American Society of Civil Engineering, 1963,89:31-60.

[28] Langmuir I. The adsorption of gases on plane surfaces of glass, mica and platinum [J]. Journal of American Chemical Society, 1918,40:1361-1403.

[29] Freundlich H. Uber die adsorption in losungen (Adsorption in solution) [J]. Physical Chemistry Periodical, 1906,57:384-470.

[30] Dubinin M M, Zaverina E D, Radushkevich L V. Sorption and structure of active carbons. I. Adsorption of organic vapors [J]. Russian Journal of Bioorganic Chemistry, 1947,21:1351–1362.

[31] Jiang Y F, Sun H, Yves U J, et al.Impact of biochar produced from post-harvest residue on the adsorption behavior of diesel oil on loess soil [J]. Environmental Geochemistry and Health, 2015,DOI 10.1007/s10653-015-9712-1.

[32] Chen Z, Chen B, Chiou C T. Fast and slow rates of naphthalene sorption to biochars produced at different temperatures [J]. Environ. Sci. Technol, 2012,46(20):11104–11111.

[33] 邓建才,蒋 新,胡维平,等.吸附反应时间对除草剂阿特拉津吸附行为的影响 [J]. 生态环境, 2007,16(2):402–406.

[34] Karapanagioti H K, Kleineidam S, Sabatini D A, et al. Impacts of heterogeneous organic matter on phenanthrene sorption: equilibrium and kinetic studies with aquifer material [J]. Environ. Sci. Technol., 2000,34(3):406–414.

[35] Chen J P, Wu S, Chong K H. Surface modification of a granular activated carbon by citric acid for enhancement of copper adsorption [J]. Carbon, 2003,41:1979–1986.

[36] Jiang Y F, Sun H, Yves J U, et al. Impact of biochar produced from post-harvest residue on the adsorption behavior of diesel oil on loess soil [J]. Environ. Geochem. Health. 2015, DOI 10.1007/s10653-015-9712-1.

[37] Özcan A, Özcan A S, Tunali S, et al. Determination of the equilibrium, kinetic and thermodynamic parameters of adsorption of copper (II) ions onto seeds of Capsicum annuum [J]. J. Hazard. Mater., 2005,B124:200–208.

[38] 俞美花.生物质炭对环境中阿特拉津的吸附解吸作用及机理研究 [D]. 北京:中国矿业大学, 2014.

[39] Kiran I, Akar T, Ozcan A S, et al. Biosorption kinetics and isotherm studies of Acid Red 57by dried Cephalosporium aphidicola cells from aqueous solutions [J]. Biochem. Eng. J. 2006,31:197–203.

[40] Tan W, Li G, Bai M, et al., The study of adsorption mechanism of mixed pesticides prometryne-acetochlor in the soil-water system [J]. International Biodeterioration & Biodegradation, 2015, 102:281–285.

[41] 谢国红,陈 军,李德广,等.土壤吸附五氯酚钠的热力学研究 [J]. 安徽农业科学, 2006,34(2):2811–2812.

[42] Vonopen B, Kordel W, Klein W. Sorption of nonpolar and polar compounds to soils: Processes, measurement and experience with the applicability of the modified OECD-guideline [J]. Chemosphere, 1991,22:285–304.

[43] 陈 虹.石油烃在土壤上的吸附行为及对其它有机污染物吸附的影响 [D]. 大连:大连理工大学, 2009.

[44] 张 鹏.生物炭对西维因与阿特拉津环境行为的影响 [D]. 天津:南开大学, 2013.

[45] 张彩霞.生物炭对五氯酚钠和克百威在黄土中的吸附影响 [D]. 兰州:西北师范大学, 2014.

*责任作者, 副教授, jiangyf7712@126.com

Effect of wheat-waste biochar on the adsorption behavior of benzonitrile onto loess soil

JIANG Yu-feng1*, UWAMUNGU J. Yves1, SUN Hang1, HU Xue-fei1, MU Zhong-feng1, ZHAN Hui-ying2, LIU Peng-yu1

(1.School of Environmental & Municipal Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；2.Chemical Engineering College, Lanzhou University of Arts and Science, Lanzhou 730000, China)., 2016,36(5)：1506~1513

Benzonitrile was selected as the target pollutant to investigate the effect of biochar produced from wheat residue at different temperatures on the adsorption of benzonitrile onto loess soil. The results showed that the adsorption equilibrium of benzonitrile onto loess was about 8h without biochar, and after the addition of biochar into loess soil, the adsorption equilibrium time of benzonitrile was shortened, meanwhile, with the increase of pyrolysis temperature of biochar added into soil, the adsorption equilibrium time was obviously reduced, while the saturation adsorption amount of benzonitrile onto loess soil was also significantly increased. The kinetic data showed that the adsorption of benzonitrile onto loess soil could be better described by a pseudo-second-order kinetic model, the boundary layer control and intraparticle diffusion were both involved in the adsorption process. Besides, the adsorption equilibrium data were well described by the Freundlich isothermal model. The saturated adsorption capacity was improved as temperature increased with or without the biochar, suggesting a spontaneous endothermic process. The average adsorption free energywas between 1.865and 3.171kJ/mol, which indicated that adsorption of benzonitrile onto loess was physical adsorption with or without biochar. Thermodynamic parameter analysis showed that Gibbs free energy was less than zero, while Entropy (ΔH) and Enthalpy (ΔS) were greater than zero, indicating an endothermic process for adsorption of benzonitrile onto loess soil. The results indicated that the adsorption process of benzonitrile onto loess with the addition of biochar involved a surface adsorption, diffusion within the particles, and external film diffusion mechanism.

loess soil；benzonitrile；adsorption kinetics；adsorption thermodynamics；adsorption mechanism

X53

A

1000-6926(2016)05-1506-08

蒋煜峰(1977-),男,甘肃张掖人,博士/副教授,主要从事土壤污染控制研究.发表论文50余篇.

2015-09-30

国家自然科学基金项目(41363008,21067005,41272147)