粉末生物质炭对水中氮磷吸附-解吸性能研究及流态化过程模拟

发布时间：2020-11-02 13:51

　　 水中氮磷超标会导致水体富营养化,污染环境,破坏生态平衡,威胁人类生命。但是,氮磷又是植物生长所必须的营养元素,亟需寻找一种将水中氮磷转移到固相中的方法。本文以废弃生物质经原位热解所快速所制备粉末生物质炭为吸附剂,对水中的富营养元素(氮磷)进行流态化吸附,实现氮磷元素从液相到固相的有效富集,最后将富含碳、氮、磷的生物质炭作为肥料返回土壤,最大程度地促进碳、氮、磷元素的宏观循环,提高了循环效率,减少了废弃生物质的处理能耗及对环境的污染。本研究考察了粉末生物质炭对水中氮磷的静态吸附性能,研究了吸附氮磷后的生物质炭(NxPy@C)在模拟土壤水环境中的解吸性能,探究了 NxPy@C作为缓释肥的可行性。为了进一步提升生物质炭对氮磷的富集作用,设计了一种简单的流态化装置,并通过CFD对自制流态化装置中生物质炭-水的固液两相流进行了初步数值模拟分析。1.本文对粉末生物质炭静态吸附水中氮磷的性能进行了探究。实验结果表明,椰壳生物质炭(CAC)和木质生物质炭(WAC)对水中磷酸盐和硝酸盐具有良好的吸附性能,吸附60 min后达到平衡。在实验范围内,初始浓度越大,生物质炭的投加量越小,生物质炭的粒径越小,吸附温度越高,pH为6-7(pH偏弱酸性)时,生物质炭对磷酸盐(硝酸盐)的单位吸附量越大。溶液中其他离子的存在也会影响吸附效果,NH4+促进生物质炭对磷酸盐或硝酸盐的吸附,而NO3-(P043-)、S042-、C032-会抑制生物质炭对磷酸盐或硝酸盐的吸附。由动力学和等温线模型的构建可知,CAC、WAC对磷酸盐的吸附过程更适合用Freundlich模型和准二级动力学模型来描述,CAC、WAC对硝酸盐的吸附过程更适合用Langmuir模型和准二级动力学模型来描述。由Langmuir模型可知,CAC、WAC在30℃条件下对磷酸盐的最大单位吸附量分别为1.38 mg/g、1.37 mg/g,对硝酸盐的最大单位吸附量分别为0.40 mg/g、0.31 mg/g。由热力学分析可知,CAC和WAC对水中磷酸盐和硝酸盐的吸附过程是一个自发、熵增的吸热过程,由多种机理(如液膜扩散和表面吸附等)共同作用。CAC和WAC依靠范德华力、静电力、形成氢键、离子交换等方式吸附水中磷酸盐和硝酸盐。2.本文对NxPy@C在模拟土壤水环境中的解吸过程进行了研究。结果表明,CAC、WAC对硝酸盐的解吸在60 min基本达到平衡;对磷酸盐的解吸在90 min基本达到平衡。在实验范围内,解吸温度越高,水质pH偏碱,固液比越小,生物质炭对氮磷两种物质的解吸效果越好。另外,实际解吸条件还需考虑植物的生长及其他因素。CAC、WAC对磷酸盐的解吸过程更适合用Freundlich模型和准二级动力学模型来描述,CAC、WAC对硝酸盐的解吸过程更适合用Langmuir模型和准二级动力学来描述。通过Langmuir模型,可以计算出CAC、WAC在30℃条件下对磷酸盐的最大残余量分别为1.004 mg/g、0.886 mg/g,对硝酸盐的最大残余量分别为0.351 mg/g、0.240 mg/g。生物质炭表面的磷酸盐和硝酸盐依靠氢键断裂、离子交换、扩散作用等方式解吸到模拟土壤水环境中。3.本文以粉末生物质炭为固相,以水为液相,通过实验及相关公式计算临界流化速度(0.261 cm/s)和带出速度(22.584 cm/s),从而确定流态化装置D=0.20 m,高度H=1.0 m,出口处为渐缩型,出口处直径D出=0.1 m,高度H出=0.15 m。利用CFD对自制流态化装置中固液两相的流动过程进行模拟,液相流动采用k-ε湍流模型,水-粉末生物质炭两相流动采用欧拉-欧拉双流体模型代,液固两相间曳力采用Gidaspow模型,探究固含率及颗粒速度分布状况。模拟结果表明,流态化装置中,固含率和生物质炭的流速均沿中心轴承对称分布,受循环流动区域的影响,沿X轴和Y轴方向均呈现不均匀分布。生物质炭粉末流速的不均匀分布,导致近壁面处出现循环流动,固含率不均匀性增加。综上,生物质炭对水中的磷酸盐和硝酸盐具有较好的吸附-解吸能力,采用流态化装置进一步提升了其吸附性能,使得NxPy@C可作为肥料返回土壤,更好地完成碳循环。本研究为处理废弃生物质及提升碳循环效率提供了新思路,为进一步探究提供了理论支持。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O647.3;TK6;X52
【部分图文】：

第１章绪论??第１章绪论??１．１课题背景及意义??碳元素随着地球的运动，在生物圈、岩石圈、水圈和大气圈中循环交换的现??象称为碳循环｜１］，如图１－１所示，主要包括绿色植物光合作用将水和大气中??的二氧化碳转化为葡萄糖并释放出氧气，有机体再将葡萄糖转化成其他有机化合??物；有机化合物又经食物链传递到动物、细菌等其他生物体中；生物呼吸作用将??一部分有机化合物分解为二氧化碳和水，为有机体代谢提供能量。??自然界中绝大部分的碳分布在地壳中，与大气、海洋及生物圈之间的交换迁??移受地球生物化学循环控制［３］。简单来说，岩石中的碳经过人为或自然的各种物??理化学作用进入海洋和大气［４］，与此同时包括各种生物遗体在内的含碳物质，通??过漫长的沉积作用，回到岩石圈中［５］，这是全球碳循环的重要组成部分。??其中，植物的树叶、枝干以及果核等进入土壤是一个漫长的过程，这导致每??年都会有大量的农林废弃物无处安放，如果对其进行焚烧，污染生态环境，增加??能源消耗，造成资源浪费。因此，亟待寻找一种促进农林废弃物参与碳循环的办??法。??．Ｖ’?ｍ??ｉｆ?＾?＾?Ｉ??Ｖ?＼?＊??动植物的遗体或排出物?、＇??煤等??图１－１碳循环??１??

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本文编号：2867131