改性生物炭吸附材料制备及其对磷的吸附行为研究

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过量的磷进入水体后,容易造成水体富营养化,破坏水生生态系统平衡。同时,磷对生命起着至关重要的作用且磷矿是一种有限的资源。因此,在面对水体磷污染问题以及磷矿资源短缺的情况下,去除水体中过量的磷以及磷的回收和再利用已经成为了研究热点。本研究以玉米芯为原材料,通过对比不同温度下制备的玉米生物炭的清水磷溶出实验和磷吸附实验确定了制备改性玉米生物炭的基质材料——即热解温度为450°C时制备的玉米生物炭(BC-450)。再通过对BC-450进行Fe Cl3和Al Cl3溶液单独浸渍改性、联合分步改性以及联合同步改性,制备了系列改性生物炭。通过对BC-450和最佳铝铁改性玉米生物炭(A-FBC)进行SEM-EDS、BET、XRD、XPS、FT-IR表征,证实了Fe、Al以Fe OOH、Fe2O3和Al OOH的形式被负载在玉米生物炭上。实验选取最佳铁改性生物炭(FBC)和最佳铝改性生物炭(ABC)为参比材料,探究A-FBC的吸附除磷效果。主要研究结果如下:(1)溶液初始p H对三种改性玉米生物炭吸附除磷的影响结果表明,FBC适合在酸性的水体环境中吸附磷酸根,ABC则适合在偏中性和碱性的水体环境中吸附除磷。在溶液初始p H为7时,A-FBC的磷酸根去除率为94.33%,出水中磷酸根含量为0.17mg·P/g,低于使用FBC和ABC处理后的出水磷酸根浓度。(2)三种改性生物炭对磷酸根的吸附均符合Langmuir模型,是自发的放热过程。(3)动力学研究结果表明,准二级动力学模型更适合描述FBC、ABC、A-FBC的吸附磷酸根过程。其中ABC达到吸附平衡所用的时间最短,FBC和A-FBC达到吸附平衡所用的时间相近。(4)Cl-、SO42-、NO3-、HCO3-四种共存阴离子对FBC、ABC、A-FBC吸附除磷的影响程度为HCO3->Cl->SO42->NO3-、HCO3->NO3->SO42->Cl-和HCO3->SO42->NO3->Cl-。(5)四种共存有机物对三种改性生物炭的影响排序为GA>TA>HA>SDBS。(6)在吸附剂的脱附再生实验中,使用0.2 mol/L的Na HCO3作为脱附剂对吸附磷酸盐后的A-FBC进行解吸,发现经过5次循环再生后,A-FBC对磷酸根的吸附量下降了41.07%。(7)将A-FBC用于实际农村生活污水的处理,当吸附剂投加量为4.2 g/L时,水中的总磷(TP)含量从5.54 mg·P/L降低至0.36 mg·P/L,且经A-FBC吸附处理后污水中的总氮、氨氮和COD值均降低。(8)动态吸附-脱附循环实验结果表明,A-FBC能够将40 BV实际农村生活污水中的TP从5.54 mg·P/L降低至0.5 mg·P/L以下,但脱附剂耗量大。A-FBC可用作去除水体中过量磷的吸附剂,降低水体富营养化的风险。(9)在盆栽试验中,添加吸附后A-FBC的D组盆栽中生长的黑麦草在茎叶和根的干重、鲜重以及株高方面均优于不施加生物炭处理的A组、施加初始玉米生物炭处理的B组以及施加改性玉米生物炭的C组。这表明A-FBC可以用作土壤改良剂促进黑麦草的生长,为实现废弃物的资源化利用以及磷的再利用提供了一种有效的途径。(10)本研究发现A-FBC对磷酸盐的吸附机理为吸附剂上金属(氢)氧化物与吸附质间的配位作用。
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