凤眼莲生物质炭对水中磷和氮吸附研究

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营养元素氮、磷过剩是引起水体富营养化的主要因素,而目前国内外对于水体中氮、磷的高效处置并同时实现资源回收利用还没有经济有效的措施。本试验分别以凤眼莲茎叶和根制备的生物质炭作为吸附剂,研究了不同的生物质炭对水中磷酸盐和氨氮的吸附性能,并初步讨论了生物质炭同时吸附氨氮和磷的影响,为废弃凤眼莲的处置和资源化利用提供了新思路,同时为探讨生物质炭用于水处理领域提供理论依据。另外,通过傅立叶红外光谱、X射线衍射光谱对生物质炭去除水中氨氮和磷的吸附机理进行了分析,得出以下主要结论:①茎叶生物质炭和根生物质炭对磷的吸附动力学结果都符合伪二级动力学模型。因茎叶生物质炭在吸附过程中存在较强的磷释放作用,L-400和L-650对磷都表现了负吸附效果。当磷的初始吸附浓度为520mg/L时,三种根生物质炭对磷的吸附容量大小排序为R-800>R-600>R-400;当磷初始浓度为40320mg/L时,吸附量大小排序为R-800>R-400>R-600。茎叶生物质炭L-800和根生物质炭的等温吸附试验结果与Langmuir方程的拟合程度较好。茎叶和根生物质炭对磷的吸附作用都是自发、吸热的熵增反应,最佳吸附pH值条件为78。②通过FTIR和XRD分析表明,茎叶和根生物质炭吸附磷的主要机制为化学吸附。茎叶生物质炭L-800和根生物质炭R-800都含有羟基(-OH)、芳环C=C结构和醚C-O-C基团。L-800对磷的吸附以弱吸附态和钙结合态为主,磷酸根与Ca元素反应生成焦磷酸钙Ca2P2O7沉淀,还有一部分与Ba和Mg元素反应生成了偏磷酸钡Ba(PO32和磷酸镁Mg3(PO42沉淀;R-800吸附饱和后,其表面生成了磷铬铜铅矿Pb2Cu(CrO4)(PO4)OH和焦磷酸钙Ca2P2O7。③茎叶生物质炭L-800对氨氮的吸附动力学结果与伪一级和伪二级动力学方程的拟合程度都比较好,吸附氨氮的控制因素为吸附传质动力和化学反应的综合作用。三个温度条件下制备的茎叶生物质炭对氨氮的吸附量都比较小,并在吸附过程中都出现了负吸附现象。④XRD分析表明吸附氨氮后的L-800生物质炭没有发现新生成的含氮化合物,吸附氨氮后的FTIR光谱图中的特征峰没有出现模糊或减弱的特征,但发生了明显的位移。L-800生物质炭对氨氮的吸附为单纯的物理吸附,而磷酸根离子与生物质炭的Ca、Ba和Mg元素反应生成沉淀。氨氮和磷的吸附具有不同的活性位点,氨氮的存在对阴离子磷酸根的吸附不产生竞争抑制作用。
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