载铁竹炭对水中磷的吸附性能研究_罗舒君

竹炭负载纳米级零价铁去除水中的甲基橙王硕;周筱菲;孙挺丽;叶永亮;王先兵;刘文莉【期刊名称】《台州学院学报》【年(卷),期】2013(035)006【摘要】采用竹炭负载纳米级零价铁,分别考察了竹炭、纳米级零价铁和竹炭负载纳米级零价铁对0.2 L、200 mg/L的甲基橙溶液的去除率,并探讨了竹炭投加量、溶液pH值、染料初始浓度和反应温度对竹炭负载纳米级零价铁去除甲基橙能力的影响.结果表明:在0.20 L浓度为200 mg/L的甲基橙溶液中,竹炭投加量为0.015 g、30℃、pH为6.0、反应时间为60 min时,竹炭负载纳米级零价铁对甲基橙染料的去除率最高可达99.94％,而竹炭本身的去除率仅为13.6％.【总页数】7页(P38-44)【作者】王硕;周筱菲;孙挺丽;叶永亮;王先兵;刘文莉【作者单位】台州学院建筑工程学院,浙江台州 318000;台州学院建筑工程学院,浙江台州 318000;台州学院建筑工程学院,浙江台州 318000;台州学院建筑工程学院,浙江台州 318000;台州学院建筑工程学院,浙江台州 318000;台州学院建筑工程学院,浙江台州 318000【正文语种】中文【中图分类】O625.67【相关文献】1.壳聚糖负载纳米零价铁去除水中六价铬的研究 [J], 彭勇;曹久海;陈珍珍2.竹炭负载纳米级零价铁去除水中的甲基橙 [J], 周筱菲;刘文莉;朱剑炯;宋健;林梦露;孙妙善;陈嘉都3.负载型纳米级零价铁去除污水中的重金属离子的研究 [J], 倪鸿瑞4.有机凹凸棒石负载纳米零价铁去除水中六价铬 [J], 徐海玉; 张明青; 陈翌昱5.果胶负载纳米零价铁与纳米零价铁去除水中硝酸盐效果比较 [J], 王德帅;杨开因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

纳米零价铁负载生物炭去除水中硝酸盐和磷酸盐的性能及机制纳米零价铁负载生物炭去除水中硝酸盐和磷酸盐的性能及机制引言水资源的污染日益严重，水体中的硝酸盐和磷酸盐成为主要污染物之一。

硝酸盐和磷酸盐的高浓度会导致水体富营养化，引发藻类过度繁殖，对水生态环境造成严重破坏。

因此，寻找一种高效、环境友好的方法去除硝酸盐和磷酸盐成为迫切的需求。

近年来，纳米零价铁负载生物炭作为一种新型吸附剂广泛应用于水处理领域。

纳米零价铁负载生物炭的制备与性能纳米零价铁负载生物炭是将纳米零价铁颗粒负载在生物炭表面，形成复合材料。

生物炭作为载体具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，能够提高纳米零价铁的分散度和稳定性。

同时，纳米零价铁具有良好的还原能力和吸附性能，能够有效去除水中的硝酸盐和磷酸盐。

纳米零价铁负载生物炭材料具有以下几个优点：首先，纳米零价铁颗粒的尺寸小，比表面积大，能够提高有效还原面积，增加与水中污染物的接触面积。

其次，生物炭作为载体材料，具有较高的孔隙度和孔隙结构，有利于污染物的吸附和固定。

此外，纳米零价铁还具有良好的长期稳定性和再生性能。

硝酸盐和磷酸盐的去除机制硝酸盐和磷酸盐的去除机制包括吸附和还原。

纳米零价铁负载生物炭具有优越的吸附能力，能够吸附硝酸盐和磷酸盐分子表面的活性位点。

同时，纳米零价铁还具有良好的还原能力，能够将硝酸盐和磷酸盐还原为相对无毒的氮气和氧化物，实现氮磷的有效去除。

吸附过程是纳米零价铁负载生物炭去除硝酸盐和磷酸盐的主要机制。

研究表明，纳米零价铁颗粒和生物炭之间存在强烈的吸附作用，纳米颗粒能够通过吸附作用将硝酸盐和磷酸盐物种吸附在生物炭的表面。

同时，生物炭具有良好的亲水性和亲硝酸盐物种的能力，能够与硝酸盐和磷酸盐之间形成强烈的吸附作用。

还原过程是纳米零价铁负载生物炭去除硝酸盐和磷酸盐的另一个重要机制。

纳米零价铁颗粒具有良好的还原能力，能够将硝酸盐和磷酸盐还原为相对无毒的氮气和氧化物。

还原过程中，纳米零价铁的电子转移能力起到关键的作用，通过电子转移作用，硝酸盐和磷酸盐被还原为无害物质。

竹炭研究报告竹炭研究报告研究背景：竹炭是指将竹子炭化而成的一种炭材料，具有很高的吸附性能和气体净化能力。

近年来，随着环境污染问题的日益严重，竹炭作为一种天然环保材料开始受到广泛关注。

本研究旨在深入了解竹炭的吸附特性和应用场景，以期为竹炭的进一步研发和应用提供科学依据。

研究目的：1. 研究竹炭的物理和化学特性。

2. 探究竹炭的吸附性能和吸附机理。

3. 分析竹炭在净化空气和水质方面的应用潜力。

4. 提出竹炭研发和应用的建议。

研究方法：1. 收集竹炭样品，并进行物理性质测试，如比表面积、孔径分布和密度等。

2. 运用吸附实验，研究竹炭对不同气体和溶液的吸附能力。

3. 利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDX）等设备，观察竹炭微观形态和结构。

4. 进行对照实验，比较竹炭与其他吸附材料的性能差异。

5. 文献综述，调研竹炭在环境净化领域的相关研究和应用情况。

研究结果：1. 竹炭具有较高的比表面积和丰富的孔隙结构，有利于吸附和储存气体。

2. 竹炭对有机气体、重金属离子和染料等有毒物质具有较好的去除效果。

3. 竹炭的吸附性能受到温度、湿度和物质浓度等因素的影响。

4. 竹炭与其他吸附材料相比，具有较好的吸附性能和较长的使用寿命。

研究结论：1. 竹炭是一种具有很大潜力的环境净化材料，可以应用于空气和水净化领域。

2. 研究表明竹炭的吸附性能受到环境因素的影响，因此需要在实际应用中进行适当的调控和优化。

3. 未来的研究方向可以包括竹炭的改性研究和应用场景的进一步拓展，以进一步提高竹炭的吸附性能和应用效果。

研究建议：1. 鉴于竹炭的吸附特性和环保性能，建议进一步深入研究竹炭的制备方法和吸附机理。

2. 推动竹炭在环境保护和净化方面的实际应用，例如在大气污染治理和水污染处理中的应用。

3. 加强竹炭与其他吸附材料的结合研究，探索不同材料复合的吸附性能和应用效果。

总结：竹炭作为一种环保材料，在吸附性能和应用潜力方面表现出良好的特性。

铁生物炭复合材料的制备及对水中磷的吸附性能的研究一、本文概述本文旨在探讨铁生物炭复合材料的制备及其对水中磷的吸附性能。

铁生物炭作为一种新型的环保材料，结合了生物炭和铁元素的优点，具有良好的吸附性能和环保特性。

本研究首先通过适当的制备方法合成铁生物炭复合材料，然后系统研究其对水中磷的吸附行为，包括吸附动力学、吸附等温线以及吸附机理等方面。

还将考察不同环境因素如pH、温度、共存离子等对吸附性能的影响，以评估铁生物炭复合材料在实际应用中的潜力。

通过本研究，旨在为水中磷的有效去除和水体净化提供一种新的可行方案，并为铁生物炭复合材料的进一步应用提供理论依据和技术支持。

二、铁生物炭复合材料的制备铁生物炭复合材料的制备主要包括以下几个步骤：选择适宜的生物质原料，如农作物废弃物、木材加工剩余物等，进行碳化处理。

碳化过程中，生物质原料在高温无氧环境下发生热解反应，生成富含碳元素的生物炭。

此步骤的关键在于控制碳化温度和时间，以确保生物炭的孔结构和表面性质满足后续复合的需求。

接下来，将制得的生物炭与铁源（如铁盐、铁氧化物等）进行混合，并通过一定的物理或化学方法使铁元素均匀地分散在生物炭的表面和内部孔道中。

这一步骤中，铁元素的引入旨在增强生物炭的吸附性能，特别是针对水中的磷元素。

随后，将混合后的材料进行热处理，使铁元素与生物炭之间发生化学键合，形成稳定的铁生物炭复合材料。

热处理温度和时间的选择对于复合材料的性能至关重要，需通过实验优化确定最佳工艺参数。

对制得的铁生物炭复合材料进行表征，包括形貌观察、结构分析、元素组成等方面，以确认其满足研究要求。

表征结果将为后续的吸附性能研究提供基础数据支持。

通过以上步骤，可以成功制备出铁生物炭复合材料。

该材料结合了生物炭和铁元素的优点，具有良好的吸附性能和环保性，为水中磷的去除提供了新的解决方案。

三、铁生物炭复合材料对水中磷的吸附性能研究本研究主要关注铁生物炭复合材料对水中磷的吸附性能。

竹炭曝气生物滤池去除水中有机物的研究
罗舒君;周培国;张齐生;俞芳芳
【期刊名称】《水处理技术》
【年(卷),期】2009(35)3
【摘要】使用竹炭作为曝气生物滤池的填料,以复合微生物菌进行挂膜,可以提高曝气生物滤池的处理效果,缩短挂膜时间。

微生物在反应的过程中是污水处理的主体,也是解决竹炭吸附极限的关键。

研究表明,当有机负荷为3.6kgCOD·m-·3d-1以下时,生物竹炭曝气滤池对有机物的去除效率最高可达91.7%,当负荷为
4.8kgCOD·m-3·d-1时,处理效率达79.4%。

【总页数】5页(P86-89)
【关键词】填料;曝气生物滤池;竹炭
【作者】罗舒君;周培国;张齐生;俞芳芳
【作者单位】南京林业大学
【正文语种】中文
【中图分类】X703.1
【相关文献】
1.曝气生物滤池和MBR去除原水中苯乙烯效能对比研究 [J], 肖峰
2.曝气生物滤池去除污水处理厂尾水中磷的效果研究 [J], 顾梦雅;张维佳;张旭
3.曝气生物滤池去除有机物动力学模型的试验研究 [J], 张波;石驰;吴春笃;倪国
4.沸石-核桃壳曝气生物滤池去除废水中氨氮的研究 [J], 丁绍兰;封香香;谢林花
5.曝气生物滤池去除有机物及硝化氨氮的影响因素研究 [J], 王立立;胡勇有
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膨润土对水中磷的吸附研究
关晓彤
【期刊名称】《沈阳工业大学学报》
【年(卷),期】2004(026)005
【摘要】对水中磷在膨润土上的吸附行为进行实验研究,通过改变pH值、搅拌时间和膨润土的投加量,确定适宜的操作条件.实验结果表明:在pH为6,搅拌时间为20 min,膨润土投加量为60 g/L条件下,膨润土对水中磷去除率可达到85 %.【总页数】3页(P598-600)
【作者】关晓彤
【作者单位】沈阳工业大学,辽阳校区,辽宁,辽阳,111003
【正文语种】中文
【中图分类】TQ028.14
【相关文献】
1.羧甲基壳聚糖-膨润土复合吸附剂对水中铊的吸附作用研究 [J], 刘烨;吕文英;李中阳;姚琨;黄春桃;刘国光
2.交联粘土矿物的吸附特性研究(Ⅳ)——交联膨润土对磷的吸附机理 [J], 孙家寿;刘羽;鲍世聪
3.交联粘土矿物的吸附特性研究(Ⅲ)——改性膨润土对水中酚吸附性能研究 [J], 鲍世聪;孙家寿;刘羽
4.pH值和光照对镧改性膨润土吸附水中氮和磷的影响 [J], 司静;卢少勇;金相灿;蔡珉敏;邓建国
5.锆柱撑膨润土对水中磷的吸附和再生性能研究 [J], 钱程;刘兴勇;杨虎;曹洪岩
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第38卷㊀第6期2020年6月环㊀境㊀工㊀程Environmental EngineeringVol.38㊀No.6Jun.㊀2020载镁生物炭对水体中磷酸盐和植酸的吸附性能及机理分析闫兵刚1㊀胡家玮1∗㊀姜晓谦2㊀蔚㊀阳2㊀管运涛2(1.兰州理工大学土木工程学院,兰州730050;2.清华大学深圳国际研究生院,广东深圳518000)摘要:水体中磷的大量存在引发了水体富营养化,导致水质逐步恶化㊁黑臭㊂为了有效处理水体中的磷(主要有磷酸盐和植酸类),采用成熟竹子为原料㊁氯化镁为改性剂,以氮气热解法制备载镁生物炭,对水体中磷进行吸附研究,同时实现对生物炭的资源化利用㊂通过载镁生物炭对无机㊁有机磷在水体中的动力学实验和解析实验,并结合X 射线衍射㊁扫描电镜㊁傅里叶变换红外光谱等技术研究了载镁活性炭对磷酸盐及植酸的吸附性能及机理㊂结果表明:载镁生物炭对两种类型磷的吸附量较单一生物炭均显著提高,对磷酸盐和植酸的吸附平衡量分别达到105,165mg /g ㊂载镁生物炭对2种磷的吸附动力学均符合准二级动力学拟合方程,吸附等温线符合Langmuir 和Freundlich 方程,其对有机磷植酸的最大吸附量高于磷酸盐,吸附过程受多种机理共同作用,以化学沉淀吸附为主㊂此外,吸附过程中载镁生物炭分别与磷酸盐㊁植酸生成了针状的磷酸镁水合物和非晶态的含镁磷的复合物㊂关键词:载镁生物炭;磷酸盐;植酸;吸附动力学模型;解吸DOI:10.13205/j.hjgc.202006015㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2019-11-29基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07202002)㊂第一作者:闫兵刚(1993-),男,硕士研究生,主要研究方向为土壤修复㊂2330498138@∗通信作者:胡家玮(1982-),男,博士,副教授,主要研究方向为水体污染与治理㊂hujiaweiyly@ADSORPTION PERFORMANCE AND MECHANISM OF PHOSPHATE ANDPHYTIC ACID ON MAGNESIUM-LADEN BIOCHAR IN WATERYAN Bing-gang 1,HU Jia-wei 1∗,JIANG Xiao-qian 2,YU Yang 2,GUAN Yun-tao 2(1.School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Tsinghua Shenzhen International Graduate School,Shenzhen 518000,China)Abstract :The large amount of phosphorus in the water led to eutrophication,deterioration of water quality and thus madeblack and odorous water.In order to treat phosphorus mainly including phosphate and phytic acid in water,Mg-laden biochar was prepared with bamboo and magnesium chloride by nitrogen pyrolysis to adsorb inorganic phosphorus and organicphosphorus in water,and at the same time,realized resource utilization of biochar.In this paper,the kinetics and adsorptionequilibrium as well as desorption of phosphate and phytic acid adsorbed on Mg-laden biochar in water were studied.The adsorption mechanism of phosphate and phytic acid on Mg-laden biochar was analyzed by X-ray diffraction (XRD),scanningelectron microscopy (SEM)and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR).The results showed that the adsorption of phosphate and phytic acid on Mg-laden biochar was significantly increased,compared to biochar;and the adsorptionequilibrium concentrations of phosphate and phytic acid were 105,165mg /g,respectively.Both phosphate and phytic acidkinetic results complied well with the pseudo-second-order.Both Langmuir and Freundlich model produced the adsorptionisotherm data well.The maximum adsorption of phytic acid was much higher than that of phosphate and the adsorption process was controlled by multiple mechanisms,dominated by chemical precipitation adsorption.Characterization results from XRD,SEM and FTIR showed that Mg-laden biochar formed needle-like magnesium phosphate hydrate with phosphate,andamorphous magnesium-phosphorus complex with phytic acid.第6期闫兵刚,等:载镁生物炭对水体中磷酸盐和植酸的吸附性能及机理分析Keywords:Mg-laden biochar;phosphate;phytic acid;adsorption isotherm modeling;desorption0㊀引㊀言随着人类工农业现代化和城市化进程的加快,大量含磷废水被排入地表水环境中,造成水体富营养化[1,2]㊂磷污染已成为全球化的环境问题[3],水体除磷技术是当前研究的热点之一㊂目前,水中磷的有效去除手段包括物理吸附㊁化学除磷和生物除磷等方法[4-7]㊂相比化学和生物除磷法,物理吸附法因设计方便㊁操作简单㊁环境友好等特点经常被采用[8-10]㊂近年来,各类吸附剂被广泛用于去除水体中的磷,例如矿渣㊁红泥㊁氧化铁㊁氧化铝㊁碳酸钙㊁白云石㊁香蕉茎㊁合成锆石㊁层状双氢氧化物等[11-16]㊂其中,生物炭因具有的较大比表面积和离子交换能力等优点,被广泛用于去除水体中的重金属离子和有机污染物[17-19]㊂生物炭表面呈负电荷,通常利用镁㊁铁㊁铝等金属氧化物对其进行表面改性以改善其对磷的吸附性能[20-23],镁改性生物炭是一种高效的磷吸附材料[1,24,25]㊂镁是植物所需元素,完成吸附后的生物炭包含了较多的镁和磷元素,施入土壤后可作为土壤改良剂,具有一定的环境效益㊂但是,镁改性生物炭对无机有机磷的同时吸附性能及机理尚不明确㊂通常,水体中浮游藻类大规模生长时,有机磷可以通过生物矿化和化学分解转化为无机磷,此过程为水体中无机磷来源的一个重要途径[26-28]㊂可见,有机磷对于水体富营养化的贡献及其在水体中的去除也不容忽视㊂目前,水体无机磷的去除研究较多,对无机磷和有机磷的同时去除研究较少㊂鉴于此,本文以竹子(毛竹,产于安徽)为原料,制备载镁生物炭材料,分析其对有机磷㊁无机磷的吸附特性及吸附机制,为今后应用载镁生物炭在废水中去除有机磷㊁无机磷提供参考㊂同时,本文还研究了载镁生物炭吸附磷后的解析行为,为其在水体中的循环应用和对磷的回收提供支持㊂1㊀实验部分1.1㊀实验材料实验所用试剂包括KH2PO3,植酸溶液及MgCl2㊃6H2O,如表1所示㊂植酸溶液发生部分水解(18%),该水解现象不可避免[29]㊂1.2㊀载镁生物炭材料的制备方法载镁生物炭材料的制备方法参考Jiang等[25]的研究㊂采用成长3年的竹子为原料,洗净烘干后粉㊀㊀表1㊀实验所需化学试剂Table1㊀Chemical reagents for experiments 药剂化学式纯度厂家磷酸二氢钾KH2PO4分析纯AR,ȡ99.5%国药集团植酸溶液C6H18O24P650%质量分数阿拉丁六水合氯化镁MgCl2㊃6H2O分析纯AR,ȡ98.0%天津市大茂化学试剂厂碎过筛(40目)㊂取10g竹粉末加入盛有100mL的MgCl2㊃6H2O(2mol/L)溶液的密封容器中,在110ħ条件下放置24h后排出上层水并烘干,之后放入管式真空炉中升温至600ħ并维持1h,结束后自然冷却至常温后取出,自然冷却过程必须在氮气保护下进行;然后用超纯水清洗若干次后离心(9000r/min, 2min),再经烘干磨碎后过筛备用;同时将未浸渍改性溶液的竹子粉末在相同条件下制备成未改性生物炭㊂1.3㊀吸附实验1.3.1㊀吸附动力学实验分别取300mL浓度为300mg/L的磷酸盐溶液和植酸溶液,分别加入0.3g的载镁生物炭进行吸附动力学实验,在设定的间隔下取样,经0.22μm滤膜(PES,津腾)过滤后,测定磷浓度㊂载镁生物炭对磷的吸附量用式(1)计算:Q t=(C0-C t)V/m(1)式中:C t为时间t时的磷浓度,mg/L;C0为初始磷浓度,mg/L;m为材料质量,g;V为溶液体积,L;Q t为在时间t时单位质量材料的磷吸附量,mg/g㊂载镁生物炭吸附有机磷和无机磷的动力学过程采用准一级和准二级动力学模型公式进行拟合,分别用式(2)和式(3)计算:qt=qe(1-e-k1t)(2)qt=q e(k2q e)t1+(k2q e)t(3)式中:k1为准一级反应速率常数,1/h;k2为准二级反应速率常数,1/h;t为吸附时间,h;q t为t时刻磷的吸附量,mg/g;q e为磷的平衡吸附容量,mg/g㊂1.3.2㊀等温吸附实验㊀分别称取0.03g载镁生物炭置于12个150mL 锥形瓶中,加入25,50,100,150,200,250mg/L的磷酸盐溶液与植酸溶液各30mL,在150r/min下恒温振荡226h(约9.5d),达到吸附平衡,取上清液过滤后测定各溶液中剩余磷的浓度㊂采用Freundlich方程和59环㊀境㊀工㊀程第38卷Langmuir 方程对载镁生物炭吸附水中磷酸盐和植酸的结果进行拟合,分别用式(4)和式(5)计算:q e =k F C 1/ne(4)q e =q m k L C e1+k L C e(5)式中:C e 为吸附平衡时溶液中磷浓度,mg /L;n 为吸附过程经验常数;k F 为Freundlich 吸附常数;k L 为Langmuir 吸附常数,L /mg;q e 为磷平衡吸附容量,mg /g;q m 为单层饱和吸附量,mg /g㊂1.4㊀解吸实验吸附动力学实验结束后,收集吸附饱和后的载镁生物炭,用超纯水清洗3~5次,放入烘箱烘干(75ħ)后自然冷却备用㊂称取3份0.1g 烘干后材料分别溶于30mL 超纯水㊁30mL 的NaOH 溶液(3mol /L)(常温及110ħ),在3种不同环境下反应24h,经0.22μm 滤膜过滤取样,测定磷浓度㊂解吸率用式(6)计算:D =C d ˑV /(q e ˑm )(6)式中:C d 为解析磷浓度,mg /L;D 为解吸率,%;V 为体积,L;q e 为磷平衡吸附容量,mg /g;m 为质量,g㊂1.5㊀材料表征方法X 射线衍射分析(Bruker D8)用于载镁生物炭㊁未改性生物炭及吸附磷后材料的物相分析(测试条件为:40kV,40mA,每分钟扫描5ʎ)㊂采用扫描电镜 能量分散光谱(SEM-EDS)分析各材料的形貌结构及元素组成㊂采用FTIR 分光光度计分析材料吸附磷前后的红外光谱(Nicoleti S50,扫描次数32次,分辨率4cm -1)㊂磷酸盐和植酸的浓度采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)以及紫外分光光度计结合钼蓝法来测定㊂2㊀结果与讨论2.1㊀载镁生物炭对2种磷的吸附动力学载镁生物炭对磷酸盐和植酸的吸附动力学曲线如图1所示㊂结果表明:载镁生物炭对2种磷的吸附量均随时间的延长而增加㊂图1a 表明,前24h,载镁生物炭吸附磷酸盐速率较快,24h 后吸附速率逐渐降低,在50h 左右达到吸附平衡状态,吸附量达到105mg /g;图1b 表明,前100h,载镁生物炭可迅速吸附植酸,但相比磷酸盐吸附达到平衡用时更长,在175h 左右达到吸附平衡状态,吸附量为165mg /g㊂分析载镁生物炭对磷酸盐和植酸的吸附过程发现,二者的吸附过程较为相似,均出现 先快后慢再稳定 的状态,但载镁生物炭对植酸的吸附量高于磷酸50%左右㊂前期由于静电作用和载镁生物炭表面的大量空余吸附点位,使磷酸盐和植酸可以在材料上发生快速吸附㊂随着材料表面中和及吸附点位减少,吸附量随着时间的变化则相应地变缓[1]㊂采用准一级和准二级动力学模型拟合载镁生物炭材料对磷酸盐和植酸的吸附结果,模拟曲线和参数分别如图1和表2所示㊂图1显示了2个模型都能较好地拟合载镁生物炭对磷酸盐及植酸的吸附过程,对比两者的准二级动力学模拟参数,磷酸盐的吸附反应速率常数高于植酸,但是植酸对磷的平衡吸附容量却高于磷酸盐㊂载镁生物炭对植酸的吸附是由多种机理共同作用的[25],且吸附过程中存在化学吸附[30],其对磷酸盐以化学吸附为主㊂对比生物炭吸附实验,其对磷酸盐和植酸的吸附量均非常低,表明材料中镁的化合物是吸附磷酸盐和植酸的主要载体㊂ʏ载镁生物炭;һ生物炭;--准一级动力学; 准二级动力学㊂图1㊀载镁生物炭材料对磷酸盐和植酸的吸附动力学曲线Figure 1㊀Adsorption kinetic data and modelling for phosphate and phytic acid adsorption on Mg-laden biochar69第6期闫兵刚,等:载镁生物炭对水体中磷酸盐和植酸的吸附性能及机理分析表2㊀磷吸附的准一、二级动力学模拟参数Table2㊀The fitting parameters of the pseudo-first/second-order-kinetic model for the phosphate kinetic adsorption data吸附材料准一级动力学方程准二级动力学方程q e/(mg/g)k1/h-1R2q e/(mg/g)k2/h-1R2载镁生物炭+磷酸盐103.080.0920.915115.39 1.11E-30.914载镁生物炭+植酸154.100.0290.976181.54 1.91E-40.991㊀㊀注:q e为磷平衡吸附容量,mg/g;k1为准一级反应速率常数,h-1;k2为准二级反应速率常数,h-1㊂2.2㊀载镁生物炭对磷的吸附平衡实验载镁生物炭对2种形态磷的吸附平衡结果如图2所示㊂结果表明:载镁生物炭吸附磷酸盐和植酸的量随着初始浓度的增加而增加,之后载镁生物炭吸附速率逐渐低降低,吸附量达到相对饱和㊂采用Langmuir和Freundlich公式拟合吸附等温线数据,拟合曲线与参数分别如图2和表3所示㊂结果表明, 2个公式都能较好地拟合载镁生物炭对磷酸盐和植酸的吸附结果,载镁生物炭对磷酸盐和植酸的最大吸附量分别为183.39,678.87mg/g,可见,植酸的吸附量相对更高,该结果与动力学实验结果一致,表明吸附过程受多种吸附机理共同作用㊂Langmuir吸附模型;--Freudlich吸附模型㊂图2㊀载镁生物炭对磷酸盐和植酸的吸附平衡曲线Figure2㊀Adsorption isotherm data and modelling for phosphate and phytic acid on the Mg-laden biochar表3㊀磷吸附平衡模型相关模拟参数Table3㊀The fitting parameters of the Langmuir/Freundlich model for the phosphate isotherm data材料Langmuir模型Freundlich模型q m/(mg/g)k L/(L/mg)R2n k F R2载镁生物炭+磷酸盐183.890.0190.936 2.0512.710.986载镁生物炭+植酸678.870.0060.998 1.22 6.300.998㊀㊀注:q m为单层饱和吸附量,mg/g;k L为Langmuir吸附常数,L/mg;k F为Freundlich吸附常数;n为吸附过程经验常数㊂2.3㊀载镁生物炭吸附磷前后的形态表征2.3.1㊀XRD表征及晶型分析未改性生物炭㊁载镁生物炭及吸附不同磷的载镁生物炭的XRD结果如图3所示㊂结果表明:未改性生物炭XRD只有非晶态的鼓包出现,无明显衍射峰;载镁生物炭XRD出现结晶度高的Mg(OH)2的峰,同时还出现了MgO的峰,表明改性后的生物炭成功负载了镁的氧化物及氢氧化物,其负载物结晶度及晶型完整,插层在生物炭的基底上[31]㊂对比吸附不同磷的载镁生物炭的XRD图发现,当载镁生物炭吸附磷酸盐后,MgO和Mg(OH)2衍射峰均消失,出现Mg2PO4(OH)㊃4H2O和Mg3(PO4)2㊃10H2O两种磷酸镁水合物的峰,表明磷酸盐与MgO/Mg(OH)2发生了化学沉淀反应㊂之前研究发现,磷酸盐在载镁生物炭上的吸附包含表面静电作用㊁颗粒内复合和化学沉淀相结合的过程[32-34]㊂磷酸盐中含H2PO-4㊁HPO2-4,由于静电作用其离子和质子化MgOH+首先吸附,随着反应进行,PO3-4离子利用载镁生物炭表面孔隙或间隙,通过颗粒内扩散进入其基质内,形成颗粒内复合,并与MgO发生化学沉淀反应[32-34],形成Mg2PO4(OH)㊃4H2O和Mg3(PO4)2㊃10H2O的晶体㊂载镁生物炭吸附植酸后,MgO/Mg(OH)2的峰明显消失或只存在小的峰值,表明MgO/Mg(OH)2与植酸也可能发生了化学沉淀反应,生成的产物主要为非晶态物质㊂之前研究也表明,植酸非常容易与金属阳离子发生络合复合反应,生成不易溶解的复合物[35,36]㊂以上XRD结果表明,载镁生物炭吸附磷酸盐和植酸的机理均包括化学沉淀反应,但沉淀产物并不相同㊂79环㊀境㊀工㊀程第38卷һMgO;ҖMg(OH)2; Mg2PO4(OH)-4H2O;әMg3(PO4)2㊃10H2O㊂图3㊀载镁生物炭吸附磷酸盐和植酸前后的XRD图Figure3㊀XRD patterns of Mg-laden biochar before and afterphosphate and phytic acid adsorption2.3.2㊀SEM-EDS表征生物炭㊁载镁生物炭及吸附不同磷载镁生物炭的SEM-EDS图及相应的元素分布情况如图4所示㊂图4a显示,生物炭的形貌基本为柱状㊁表面光滑,主要元素为碳,有极少量镁和硅的杂质;图4b显示,改性后的生物炭形貌发生了明显的改变,在其表面布满了粗糙的小颗粒和片状物㊂对比二者的EDS元素分析结果,改性后的生物炭出现含量较高Mg及O元素,表明其生成了镁的氧化物及氢氧化物,这与之前的XRD结果相一致㊂图4c显示,载镁生物炭吸附磷酸盐之后的形貌发生了变化,表面的颗粒物消失,出现一些表面光滑的针状物质,形成了新产物;分析结果显示有磷存在,表明磷在载镁生物炭上发生了化学吸附,结合XRD结果,推测生成的针状物质为磷酸镁水合物㊂图4d显示,载镁生物炭吸附植酸之后的形貌也出现变化,表面的颗粒态形貌消失,并未出现针状物质,而是在其表面出现了无定形的物质,这与XRD的分析结果也一致㊂对比载镁生物炭分别吸附磷酸盐和植酸的EDS结果,显示吸附植酸之后的P/ Mg值要高于吸附磷酸盐的P/Mg值,表明植酸在载镁生物炭上的含磷量更高㊁吸附能力更强,这与之前分析的动力学和解析结果相一致㊂2.3.3㊀FTIR表征及分析生物炭㊁载镁生物炭㊁吸附磷酸盐载镁生物炭㊁吸附植酸载镁生物炭的FTIR结果如图5所示㊂可知:生物炭含有纤维素,有丰富的含氧表面基团如C O C(1077,749cm-1)[32]和C O(1542cm-1)[33]㊂当生物炭负载镁之后,红外光谱结果发生了明显的改变,在波数3696cm-1和468cm-1处出现了2个较强的吸收峰,其中3696cm-1的吸收峰是由O H键的伸缩振动导致,而M O和O M O(M=Mg)的振动带一般出现在400~800cm-1的区域,因此468 cm-1对应的吸收峰应为Mg O或O Mg O[34]㊂以上结果表明,载镁生物炭含有氧化镁或氢氧化镁,与XRD结果一致;当载镁生物炭吸附磷酸盐之后, O H键的吸收峰变小,468cm-1对应的吸收峰也消失,说明MgO或Mg(OH)2在吸附磷酸盐之后发生了化学沉淀反应,生成了含镁磷的复合物[31],而1077 cm-1和861cm-1处出现的新吸收峰也解释了这一结果;1077cm-1处对应的吸收峰是P O键,说明磷酸盐强力吸附在MgO上面,可能形成了单或双配位基的内核表面复合物[25],而861cm-1处的吸收峰对应的P O键来自于P O Mg复合物[35,36]㊂相比较,载镁生物炭吸附植酸之后的红外光谱与吸附磷酸盐之后的红外光谱相类似,表明生成了类似的含磷官能团,且都发生了化学沉淀与吸附作用㊂由于植酸含有少量有机官能团,因此生成的沉淀产物是非晶态的,在XRD结果中只体现出非晶态的鼓包㊂2.4㊀磷酸盐和植酸在载镁生物炭上的解吸分析载镁生物炭在吸附磷酸盐和植酸之后,采用3种方法进行解吸实验,结果如图6所示㊂可知:纯水环境下磷酸盐和植酸的解吸效果均不理想,解吸率几乎为零㊂载镁生物炭在NaOH溶液中于室温条件下的解析效果比较明显,磷酸盐和植酸的解吸率分别达到80%和55%,当NaOH溶液温度升高到110ħ时,磷酸盐和植酸的解吸率较常温无明显差异㊂碱性条件导致载镁生物炭的解吸率提高是由于OH-存在会中和部分吸附位点,降低了磷酸盐和植酸在载镁生物炭上的吸附能力㊂其解析率并未达到100%,则可能是载镁生物炭的一些活性位点在结合磷后不能完全逆转[37-41]㊂综合2种磷的解吸结果可知,3种解吸方法下植酸的解吸率都比磷酸盐低,表明植酸与载镁生物炭之间通过化学沉淀反应可能形成了化学键更强的物质,不易被解吸,同时温度的改变没有明显影响磷解吸率㊂3㊀结㊀论1)生物炭经过镁的改性后,形成的复合物可以89第6期闫兵刚,等:载镁生物炭对水体中磷酸盐和植酸的吸附性能及机理分析㊀㊀图4㊀载镁生物炭吸附磷酸盐和植酸前后的扫描电镜图及相应的EDS 元素分布情况Figure 4㊀SEM images and EDS result of Mg-laden biochar before and after phosphate and phytic acid adsorption有效去除水体中的磷酸盐和植酸,其对二者的最大吸附容量分别为183.39,678.87mg /g㊂结合准二级动力学方程及吸附等温线方程,载镁生物炭对磷酸盐的吸附速率更快,但对植酸的吸附容量更大㊂2)综合载镁生物炭吸附磷前后的表征结果,其对磷酸盐主要以化学沉淀的方式进行吸附,生成针状99环㊀境㊀工㊀程第38卷图5㊀载镁生物炭吸附磷酸盐和植酸前后的红外光谱Figure 5㊀FTIR images of Mg-laden biochar before and afterphosphate and phytic acidadsorption磷酸盐;植酸㊂图6㊀载镁生物炭吸附磷酸盐和植酸在不同条件下的解吸情况Figure 6㊀Desorption of phosphate and phytic acid from Mg-ladenbiochar under different conditions的磷酸镁水合物;对植酸的吸附包括化学沉淀作用,生成非晶态的含镁磷复合物㊂3)解吸实验中,碱性条件有利于载镁生物炭上磷的解吸,室温下磷酸盐和植酸的解吸率分别达到80%和55%,磷酸盐的解吸率高于植酸,表明植酸与载镁生物炭之间形成了更强的化学键,很难被解吸㊂参考文献[1]㊀蒋艳红,李安玉,严发,等.载镁香蕉秆基生物炭对氮磷的吸附性能研究[J].农业资源与环境学报,2018,35(6):559-567.[2]㊀FANG L P,WU B L,CHAN J K M,et nthanum oxidenanorods for enhanced phosphate removal from sewage:a responsesurface methodology study [J ].Chemosphere,2018,192:209-216.[3]㊀REN Z F,XU X,GAO B Y,et al.2015.Integration of adsorptionand direct bioreduction of perchlorate on surface of cotton stalkbased resin [J].Journal of Colloid and Interface Science,2015,459:127-135.[4]㊀DU X,HAN Q,LI J,et al.The behavior of phosphate adsorptionand its reactions on the surfaces of Fe-Mn oxide adsorbent [J].Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers,2017,76:167-175.[5]㊀YE Y Y,NGO H H,GUO W S,et al.Insight into 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