生物炭改性及其对沼液中氮的吸附特性研究

发布时间：2020-10-17 09:07

　　 近年来,随着我国规模化沼气工程的发展,沼液产生量日益增加。氮是沼液中重要的营养成分,其中氨氮的含量高达80%以上,若不经过回收利用或处理,将会造成严重的环境污染和资源浪费。目前,回收沼液中氮的主要技术方法有鸟粪石结晶法(MAP)、氨吹脱法等,但基本都存在去除效率低、技术成本高等问题,而吸附法受到了越来越多的关注。吸附回收技术的关键是选择合适的吸附剂,近年来生物炭以其良好的吸附性能、固碳作用和土壤改良作用,被作为吸附材料广泛应用到多种领域,对生物炭表面改性也是研究热点之一。本研究以分析不同改性生物炭对沼液氨氮的吸附机理及效果为目的,开展了改性生物炭的制备和筛选、生物炭表面特性研究以及改性生物炭对沼液氨氮的吸附特性及影响因素研究,并通过吸附柱实验模拟分析了生物炭对沼液氨氮的动态吸附效果及影响因素,筛选出较优的吸附工艺条件。主要研究内容及结果如下:(1)以玉米秸秆、玉米芯和木屑3种农业废弃物为原料,在550℃、600℃、650℃热解温度下制备生物炭,采用氢氧化钠和微波改性(NaOH+微波)、氯化铁改性(FeCl_3)、氢氧化钾改性(KOH)、硝酸改性(HNO_3)方法对生物炭进行改性处理,通过改性生物炭对氨氮的吸附效果研究,初步筛选出4种对氨氮吸附效果较好的改性生物炭,分别是秸秆炭-550℃-NaOH+微波(A-550-NaM)、秸秆炭-550℃-KOH(A-550-K)、玉米芯炭-550℃-FeCl_3(B-550-Fe)和木屑炭-600℃-NaOH+微波(C-600-NaM)。(2)分析了改性生物炭比表面积、官能团等表面特性,发现改性后的生物炭比表面积显著增大,改性生物炭表面强供电基团显著增加,使得改性生物炭对氨氮的吸附能力明显增强。改性生物炭对氨氮的吸附过程符合更二级动力学模型和Langmuir等温模型,拟合得到的Langmuir单分子层最大饱和吸附量分别为:101.86、94.82、200.24和64.00 mg NH_4~+-N/g。(3)设计3级动态吸附装置,优选改性生物炭A-550-NaM、A-550-K和B-550-Fe做为动态吸附的基质,开展对沼液氨氮的动态吸附实验,优化出对沼液氨氮吸附较优的工艺条件是:进液流量为5 L/h,改性生物炭B-550-Fe、A-550-K和A-550-NaM对应的填料高度分别为30 cm、50 cm和70 cm。以优化工艺构成的串联吸附工艺延长了沼液氨氮的吸附穿透时间和饱和吸附时间,氨氮吸附率得到了显著提高。
【学位单位】：黑龙江八一农垦大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：X703;S216.4
【部分图文】：

44623）实验仪器表 2-3 仪器设备Table 2-3 Instruments and equipments.仪器名称 仪器型号 出厂单位管式炉 OTF-1200X 合肥科晶材料技术有限公司万用电炉 DL-1 北京中兴伟业仪器有限公司pH 仪 PHS-3C 上海仪电科学仪器有限公司烘箱 101-0A 天津泰斯特仪器有限公司恒温振荡器 THZ-98A 上海一恒科技有限公司电子天平 CAV264C 奥豪斯仪器（上海）有限公司微波消解仪 WXJ-III 泰宏医疗器械有限公司紫外分光光度计 i7 海能仪器股份有限公司.1.2 吸附材料的制备1）生物炭的制备生物炭的制备过程如图 2-1 所示。

改性生物炭的制备及筛选将预处理后的玉米秸秆、玉米芯和木屑原料在 105℃下烘干，在管式炉中分别以 550℃600℃和 650℃下通入氮气绝氧碳化，自然降温冷却后取出，分别标记，将 9 种生物炭分别粉碎过 60 目筛，备用。（2）生物炭改性方法分别配置 2 mol/L 的 NaOH、KOH、HNO3和 1.5 mol/L 的 FeCl3溶液，取预处理后的生物炭各 50g 放入 1L 烧杯中分别加入 200mL 改性溶液，70℃下反应 2h，之后置于 35℃、120r/min 恒温振荡器中反应 24h，后用去离子水反复冲洗直至中性，将 NaOH 改性后的生物炭再置于 800 W 功率下的微波消解仪中继续改性，改性完成后将所有的改性生物炭在70℃下烘干，备用。如图 2-2 是生物炭的改性制备过程，实验生物炭样品见表 2-4。

生物炭改性及其对沼液中氮的吸附特性研究 实验方法吸附方法沼液中氮存在的主要形态，以氨氮为主，氨氮中离子是 NH4+，而 NH4Cl 中的氮即 NH4+，因此在针对沼液氮吸附剂筛选中，为了排除外界干扰，采用 NH4Cl 配拟改性生物炭对沼液 NH4+-N 的吸附实验。配置 NH4+-N 浓度为 100mg/L 的 NH4用浓度为 0.1% HCl 和 0.1% NaOH 调节溶液的 pH 至 7，取 0.3 g 生物炭于 50 mL，依次加入 30mLNH4Cl 溶液，在 25℃、转速 150r/min 的恒温振荡器中振荡 24h、过滤，测定滤液中 NH4+-N 的浓度。如图 2-3 是生物炭吸附氨氮的过程。
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本文编号：2844580