改性生物炭吸附水中氮磷性能及其资源化研究

发布时间：2020-04-08 15:57

【摘要】：氮磷是造成水体富营养化的两种主要营养元素,控制水体中的氨氮和磷酸盐的含量是控制水体富营养化的关键。吸附法是去除水体中氨氮、磷酸盐的常见方法,然而,原始生物炭(未改性生物炭)对氨氮和磷酸盐的吸附效果均较差。在本研究中,废弃的云杉木屑在高温下热解形成生物炭(Spruce Sawdust Biochar,SSB),分别采用酸盐联合浸渍法和共沉淀法将SSB改性成MSSB2(the Second Modified Spruce Sawdust Biochar)和LDH/SSB(Layered Double Hydroxide/Spruce Sawdust Biochar)。探究了MSSB2吸附氨氮的影响因素、吸附机理以及N-laden MSSB2(吸附氨氮后的MSSB2)作为肥料资源化的可行性。研究了LDH/SSB对氨氮和磷酸盐的吸附特性及吸附机理,并考察了N-laden LDH/SSB(吸附氨氮后的LDH/SSB)、P-laden LDH/SSB(吸附磷酸盐后的LDH/SSB)作为肥料的应用潜力。MSSB2相较于SSB(原始生物炭)的氨氮吸附量明显增加。MSSB2对氨氮的吸附量随着溶液初始pH的升高先增加后减少,最适宜pH为9。在共存离子与氨氮浓度同为40 mg/L的条件下,共存离子对MSSB2吸附氨氮性能的影响顺序如下:Mg~(2+)Ca~(2+)K~+Na~+,其中二价阳离子的存在对氨氮的吸附影响大于单价阳离子。在20mg/L及40 mg/L的氨氮浓度下,准二级动力学模型是吸附数据的最佳拟合模型,R~2分别为0.9994、0.9999。最适宜的吸附等温线模型是Freundlich模型,R~2达0.998。结合吸附行为及一系列的表征结果发现氨氮吸附是由多种机理控制,其中阳离子交换是最主要的吸附机理。添加N-laden MSSB2的实验组与对照组相比,发芽率提高20%,幼苗高度增加49.72%,幼苗生物量提高82.06%,表明N-laden MSSB2能够作为肥料再利用。相比于SSB,LDH/SSB对氨氮和磷酸盐都有着更高的吸附能力。当pH从3变化到10,LDH/SSB的氨氮吸附量先轻微增加后减少,最适宜pH范围是6~7;LDH/SSB对磷酸盐的吸附量随着pH的增加而减少,最佳吸附pH是3。与氨氮(NH_4~+-N)同等浓度的共存阳离子(Na~+、K~+、Mg~(2+)、Ca~(2+))对LDH/SSB的氨氮吸附性能影响较小,影响顺序为:Mg~(2+)Ca~(2+)Na~+K~+,与氨氮同等浓度的磷酸盐(PO_4~(3-)-P)对LDH/SSB的氨氮吸附性能无明显影响;与磷酸盐(PO_4~(3-)-P)同等浓度的共存离子(SO_4~(2-)、NO_3~-、NO_2~-、Cl~-、NH_4~+-N)几乎对LDH/SSB的磷酸盐吸附性能均无影响,LDH/SSB对磷酸盐有着很好的吸附选择性。LDH/SSB吸附氨氮以及磷酸盐的最佳动力学和最佳吸附等温线模型均是准二级动力学和Freundlich模型。LDH/SSB吸附氨氮的过程主要是由阳离子交换作用控制;LDH/SSB对磷酸盐的吸附主要是靠夹层离子交换和静电吸引作用。吸附氨氮或磷酸盐后的LDH/SSB能够作为肥料应用到农业生产中。添加N-laden LDH/SSB的实验组与对照组相比,发芽率提高13.4%,幼苗高度提高24.92%,幼苗生物量提高59.96%;添加P-laden LDH/SSB的实验组与对照组相比,发芽率提高20%,幼苗高度提高51.40%,幼苗生物量提高84.15%。两种改性方法提高了生物炭的氮磷吸附性能,且吸附后的改性生物炭能够作为肥料资源化利用。因此,本研究中的两种改性生物炭有望成为环境友好型吸附材料。
【图文】：

制备条件,生物炭,云杉木,酸盐

华南理工大学专业学位硕士学位论文.3 实验方法.3.1 酸盐联合改性生物炭的制备将云杉木屑生物质粉末放入带盖的刚玉舟中，然后一并放入充满氩气气氛的管式，设定升温速率为 5 ℃/min，在设定的最高温度下保持恒温 1 h。经过高温煅烧后得到了云杉木屑生物炭（SSB）。将 SSB 首先以浸渍比为 1：10 的比例浸泡在一定的 HNO3中 10 h，然后用去离子水清洗直至中性。清洗后的材料放置到 105 ℃ 烘燥 2 h，此干燥后的样品被命名为 MSSB1。该样品紧接着又以 1：20 的浸渍比例浸一定浓度的 Na2CO3溶液中，24 h 后用蒸馏水清洗至中性，干燥后即得到酸盐联合生物炭（MSSB2）。采用单因素变量控制法，，按照图 2-1 所示，设置上述方案中的定条件，制备出多种酸盐联合改性生物炭。

SEM图,光谱图,SEM图像,样品

22图 2-2 样品的 SEM 图像及对应的 EDS 光谱图：（a）、（b）、（c）分别是 SSB、MSSB1MSSB2 的 SEM 图；（d）、（e）、（f）分别是 SSB、MSSB1、MSSB2 的 EDS 图Fig.2-2 SEM images and corresponding EDS spectrum of the samples. (a), (b), and (c) areSEM images of the SSB, MSSB1, and MSSB2, respectively; (d), (e), and (f) are EDSspectrum of the SSB, MSSB1, and MSSB2, respectively（2）比表面积及平均孔径表 2-6 证实了 SSB、MSSB1 以及 MSSB2 比表面积都比较低。在本研究中，为了使生物炭 SSB 表面存在更多的能够被 HNO3氧化的官能团，因此实验中采用的炭化温度是
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

【参考文献】