生物炭对水中氨氮和磷酸盐吸附性能研究

生物炭对水中氨氮和磷酸盐吸附性能研究

论文摘要

造成水体富营养化现象的主要营养盐元素是氮和磷,所以氨氮和磷酸盐的去除对于控制水体富营养化有着重要作用。在常用的氮磷去除方法中,吸附法是一种快速、高效、操作简便、没有二次污染、可回收且低成本的方法。我国小麦秸秆资源相当丰富,合理利用小麦秸秆不仅可以避免资源的浪费,还可以减少废弃物的排放,保护环境。本课题以小麦秸秆为原材料在不同温度下制成生物炭,并使用FeCl3溶液对其改性,研究了生物炭及改性生物炭对氨氮和磷酸盐的吸附性能,考察了温度、投加量以及pH对吸附的影响,同时还研究了吸附磷前后生物炭中磷的形态特征。主要结论如下:随着热解温度的提高,生物炭的阳离子交换量(CEC)会降低。生物炭对氨氮的吸附动力学与准二级动力学方程相符,吸附热力学与Langmuir方程相符,理论最大吸附量Q随热解温度的升高而下降,与生物炭的CEC呈现出了显著的正相关性。生物炭对氨氮的去除率随温度的升高而上升,吸附的吉布斯自由能变(ΔG)小于0,焓变(ΔH)大于0,熵变(ΔS)大于0,说明该吸附是自发的吸热过程,且吸附后体系的无序性增加。生物炭对氨氮的去除率随着投加量的增加而增加,随pH的升高而先升高后下降,最适宜pH在8左右。氯化铁改性生物炭(M-400-Fe)对磷的吸附效果最好,平衡吸附量为4.685mg/g,是生物炭(M-400)改性前的12.33倍。M-400和M-400-Fe对磷的吸附动力学均更符合准二级动力学方程,吸附热力学均更符合Langmuir方程,M-400-Fe的理论最大吸附量Q为10.12mg/g,是M-400的19.42倍。M-400-Fe对磷的去除率随温度的升高而下降,吸附的ΔG小于0,ΔH小于0,ΔS小于0,说明该吸附是自发的放热过程,且吸附后体系的有序性增加。M-400-Fe对磷的去除率随着投加量的增加而增加,随pH的升高而先升高后下降,最适宜pH在7左右。M-400吸附磷前后交换态磷含量增幅最大,占总增量的82.1%。M-400-Fe吸附磷后铝结合态磷、自生磷、碎屑磷和有机磷的变化不明显,而交换态磷、铁结合态磷和闭蓄态磷含量显著增加,分别占总增量的26.6%~33.5%、50.7%~66.7%和7.2%~16.2%。溶液初始pH等于7时,交换态磷含量最高;随着pH的升高,铁结合态磷有向闭蓄态磷转化的趋势。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究目的和意义
  • 1.2 水中氨氮和磷酸盐去除技术研究现状
  • 1.2.1 氨氮去除技术研究现状
  • 1.2.2 磷酸盐去除技术研究现状
  • 1.3 生物炭吸附水中氨氮和磷酸盐的研究进展
  • 1.3.1 生物炭的性质
  • 1.3.2 生物炭吸附氨氮和磷酸盐研究现状
  • 1.3.3 生物炭的改性方法
  • 1.4 本课题的主要研究内容和技术路线
  • 1.4.1 研究内容
  • 1.4.2 技术路线
  • 第二章 生物炭对水中氨氮的吸附
  • 2.1 材料与方法
  • 2.1.1 实验材料
  • 2.1.2 实验药品与仪器
  • 2.1.3 实验方法
  • 2.1.4 吸附动力学模型
  • 2.1.5 等温吸附平衡模型
  • 2.2 结果与讨论
  • 2.2.1 生物炭的阳离子交换量
  • 2.2.2 吸附动力学
  • 2.2.3 吸附等温线
  • 2.2.4 吸附温度对吸附效果的影响
  • 2.2.5 投加量对吸附效果的影响
  • 2.2.6 初始溶液 pH 对吸附效果的影响
  • 2.3 本章小结
  • 第三章 生物炭对水中磷酸盐的吸附
  • 3.1 材料与方法
  • 3.1.1 实验材料
  • 3.1.2 实验药品与仪器
  • 3.1.3 实验方法
  • 3.2 结果与讨论
  • 3.2.1 最佳改性生物炭
  • 3.2.2 吸附动力学
  • 3.2.3 吸附等温线
  • 3.2.4 吸附温度对吸附效果的影响
  • 3.2.5 投加量对吸附效果的影响
  • 3.2.6 初始溶液 pH 对吸附效果的影响
  • 3.3 本章小结
  • 第四章 生物炭中磷的形态特征
  • 4.1 材料与方法
  • 4.1.1 实验材料
  • 4.1.2 实验药品与仪器
  • 4.1.3 实验方法
  • 4.2 结果与讨论
  • 4.2.1 M-400 吸附前后磷的形态分析
  • 4.2.2 M-400 改性前后磷的形态分析
  • 4.2.3 M-400-Fe 吸附前后磷的形态分析
  • 4.3 本章小结
  • 第五章 结论与展望
  • 5.1 结论
  • 5.2 展望
  • 参考文献
  • 发表论文和参加科研情况说明
  • 致谢
  • 相关论文文献

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