论文部分内容阅读
氮磷污染是导致我国江河、湖泊水体富营养化的重要因素;农林秸秆随意丢弃可能造成环境污染。为实现农林秸秆的综合利用和资源化处理氮磷废水,本文选取玉米秸秆（CS）为农林秸秆代表性产物,通过依次添加环氧氯丙烷、N,N-二甲基甲酰胺、三乙烯四胺和三乙胺,以嫁接季铵基功能基团的方式获得改性玉米秸秆（MCS）,在CS和MCS表征基础上,研究MCS对硝酸盐和磷酸盐的吸附特性、吸附机理以及动态吸附、解吸与再生过程,全方位评估MCS吸附硝酸盐和磷酸盐的能力。为比较改性前后玉米秸秆性质变化,采用元素分析（EA）、Zeta电位、电镜扫描（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）等多种现代技术手段表征CS、MCS表面及内部结构变化。EA分析发现有C/N从31.9179下降至3.7913,表明MCS中含氮量增加;在pH7.0、25℃下,Zeta电位由-23.5mV升至18.1mV,表明有带正电荷的基团成功嫁接在CS上;SEM发现MCS更加粗糙、多孔、有裂纹,具有更大的表面积,可能具备更强的吸附能力;FTIR发现MCS中在1330cm-1出现季铵盐特征峰、1053cm-11659cm-1特异性条带增强表明可吸附磷酸盐;1384cm-1特征峰表明MCS可吸附硝酸盐。为考察MCS的吸附性能,以投加量、pH、初始浓度、共存离子(Cl-、SO42-)为主要影响因素,以硝酸盐和磷酸盐吸附量为响应指标,优化吸附条件,在最佳条件下磷酸盐的去除率较硝酸盐高10.97%,表明MCS对磷酸盐具有更强的吸附能力。硝酸盐和磷酸盐吸附均有较广的pH适应范围（4-10）,但在极端pH条件下两者表现出相反特性,可能与离子交换和价态有关;SO42-和Cl-对硝酸盐和磷酸盐吸附均产生负影响,且前者影响更大。利用吸附动力学、吸附等温线、吸附热力学等多种模型分析MCS对硝酸盐和磷酸盐的吸附机理,结果表明两者均符合伪二级动力学方程、Freundlich等温吸附模型;吸附热力学分析发现△G<0、△H>0、△S>0,表明吸附为自发反应,升温有利于吸附反应进行;模型参数数值不同可作为解释MCS对硝酸盐和磷酸盐表现出不同吸附性能的一种方法。为探究MCS实际应用的可能性,本文通过柱吸附、柱解吸、柱再生的方式动态考察MCS对硝酸盐和磷酸盐的吸附能力,并利用多种动力学模型拟合动态吸附过程。柱吸附试验表明,流速、柱高、初始浓度对MCS单位吸附量并无显著影响,在pH7.0、流速10mL/min、柱高2.0cm、初始浓度50mgNO3-N/L,MCS对硝酸盐的单位吸附量为34.76mg/g,在pH6.0、流速10mL/min、柱高2.0cm、初始浓度50mg PO43--P/L时,磷酸盐的单位吸附量为66.94mg/g,几乎为硝酸盐吸附量的2倍;根据R2和标准差判断,硝酸盐和磷酸盐吸附模型拟合程度由大到小依次为Yoon-Nelson>Yan>Thomas模型,模型参数分析发现更低的k YN和更高的半饱和时间可能更有利于提高吸附剂吸附能力。采用不同浓度的NaOH和HCl解吸硝酸盐和磷酸盐,发现HCl对两者的解吸能力高于NaOH,但浓度较后者更高。柱再生发现,HCl对硝酸盐和磷酸盐的再生能力有显著提升,经三次再生循环后,再生率分别为129.32%、128.43%,可能意味着通过HCl活化可以提升MCS的吸附性能。通过本文的研究,可以从微观角度阐明同种改性秸秆对不同阴离子吸附性能不同的机理,丰富理论研究,也可为氮磷去除提供相应的方法指导。