【摘 要】
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水环境中氨氮(NH4+)和磷酸盐(PO43-)过多可引起严重的水体富营养化。农业废弃物是一种高效的生物质吸附剂,具有良好的资源综合利用潜力。以制白附子(ZB)和炙甘草(ZG)两种中药渣为原材料,制备磁性载镁制白附子(FM-ZB)和磁性载镁炙甘草(FM-ZG),以这四种吸附剂为研究对象,对水中NH4+和PO43-进行吸附研究。考察吸附剂用量、溶液pH值、反应时间、初始浓度等参数对吸附过程的影响,以及
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水环境中氨氮(NH4+)和磷酸盐(PO43-)过多可引起严重的水体富营养化。农业废弃物是一种高效的生物质吸附剂,具有良好的资源综合利用潜力。以制白附子(ZB)和炙甘草(ZG)两种中药渣为原材料,制备磁性载镁制白附子(FM-ZB)和磁性载镁炙甘草(FM-ZG),以这四种吸附剂为研究对象,对水中NH4+和PO43-进行吸附研究。考察吸附剂用量、溶液pH值、反应时间、初始浓度等参数对吸附过程的影响,以及吸附剂对NH4+和PO43-的去除机理、循环使用性能和其施入土壤后对土壤养分及植物生长的影响。主要研究结果如下:(1)原始制白附子的微观结构不规则,球形颗粒较多;原始炙甘草呈现出片状结构,有一些粗糙凹槽。采用共沉淀法分别制备了磁性载镁制白附和磁性载镁炙甘草,Mg O和Fe3O4成功地负载在两种材料表面上,磁性载镁中药渣表面呈现更加粗糙的结构,有大量的球形颗粒,比表面积分别是原始中药渣的28.10-45.72倍,在外加磁场下能有效分离和回收。(2)吸附剂投加量、pH、反应时间和初始浓度对NH4+和PO43-的吸附有显著影响,NH4+吸附量随pH增加先增后减,PO43-吸附量显著下降。NH4+和PO43-的吸附随反应时间的延长和初始浓度的升高先显著升高后趋于平缓。阳离子Na+、K+和Ca2+与NH4+形成竞争吸附,而Ca2+的存在提高了PO43-的吸附。与CK相比,各阴离子的存在均降低了PO43-的吸附,其中SO42-抑制作用最显著,PO43-的吸附下降了21.39%-30.81%。(3)原始中药渣对NH4+和PO43-的吸附分别用准二级动力学模型和粒子内扩散模型描述。磁性载镁中药渣吸附NH4+和PO43-均符合准二级动力学模型。Langmuir等温模型是吸附平衡数据的最佳拟合模型,表明四种吸附剂对NH4+和PO43-具有化学吸附和单分子层吸附作用。原始制白附子的理论最大吸附量为190.40 N mg g-1和435.29P mg g-1,原始炙甘草的理论最大吸附量分别为209.20 N mg g-1和451.78 P mg g-1,磁性载镁制白附子的理论最大吸附量为591.51 N mg g-1和551.97 P mg g-1,而磁性载镁炙甘草的理论最大吸附量为615.57 N mg g-1和635.35 P mg g-1。(pH,8.0;剂量:0.2 g L-1;初始浓度为60 mg L-1;接触时间为180 min)。(4)FTIR和XPS分析结果表明,羟基,羧基,Mg2+,Fe2+和Fe3+是吸附过程中起主要作用的官能团和离子。NH4+和PO43-主要通过粒子内扩散、静电作用、离子交换、络合作用和配体交换吸附在材料表面,磁性载镁中药渣还可以通过表面沉淀吸附PO43-。(5)原始中药渣对实际养殖废水的NH4+和PO43-的吸附量分别为228.45-252.72N mg g-1和52.53-57.44 P mg g-1。改性后,磁性载镁中药渣吸附能力显著提高,NH4+和PO43-的吸附量分别为435.82-455.50 N mg g-1和104.76-120.54 P mg g-1。在连续8次吸附-解吸-复吸循环中,原始中药渣循环2次后吸附能力就显著下降为初始值的50%以下。磁性载镁中药渣4次循环后,对养殖废水中NH4+和PO43-的吸附量仍保持在初始吸附量的70%以上。因此,磁性载镁中药渣在同时去除废水中的NH4+和PO43-方面具有更好的可重复使用性。从经济分析结果可知,由于较高的吸附量、较好的循环利用性能和磁性回收性能,磁性载镁中药渣去除NH4+和PO43-较原始中药渣更经济。(6)吸附后的吸附剂施入土壤后能增加土壤肥力,促进植物生长。土壤有机质、碱解氮和有效磷等含量比CK显著升高,磁性载镁中药渣还能增加土壤铁、镁这些植物生长所必需的元素的含量。施入吸附后的原始中药渣和磁性载镁中药渣对紫花苜蓿生长有良好的促进作用,植物鲜重和株高分别显著提高了20.71%-23.74%和27.03%-32.74%。维生素C、叶绿素、可溶性蛋白和可溶性糖含量是衡量植物的品质的主要指标。本研究中,与CK相比,吸附后的材料均能显著提升紫花苜蓿的各项品质指标。
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