镁_铁盐涂层改性生物炭的制备及其对水体氮磷的吸附作用.pdf

摘 要 由于过量的氮磷等营养元素释放到水体中，导致水环境富营养化问题。然而， 氮磷也是农作物的重要营养元素。因此，开发能够高效去除水中氮磷及其资源化 回收技术已经成为众多学者致力研究的方向。本论文选择以玉米芯生物炭作为初 始的吸附载体，以氯化镁和氯化铁为改性剂，研究制备用于吸附营养盐的生物炭 复合材料，优化并确定最佳配料比，以NO3--N 、PO43--P 和NH4+-N 为富营养化 水体中代表性的典型营养盐污染物，从动力学吸附、等温吸附和典型影响因素方 面探讨了改性炭对三种离子的吸附机理。后一章以玉米芯和芦苇生物炭作为生物 滞留池填料，研究了其对径流雨水的水力保持和污染物氮磷、重金属及总悬浮物 的吸附性能。研究结果如下： （1）镁盐改性生物炭的制备及其对水体氮磷的吸附作用 镁盐改性后的生物炭表面附有均匀氧化镁晶体涂层，通过元素分析法、BET 法、SEM-EDS 、FTIR 、XRD 和pH 漂移实验等方法对改性炭进行表征分析，与 原炭的结构和理化性质相比，其比表面积增大、官能团增多和极性增强，pHZPC 提高到 10.1。在吸附性能方面，以氮磷吸附量为考察目标，优选最适镁炭比为 0.72 ，对三种离子的最大吸附量分别为3.87、30.24 和15.95 mg‧g-1 。探究溶液初 始pH 值和生物炭种类对氮磷的影响，发现在pH=7.0 、30 ℃的条件下，对三种 离子吸附效果最好的生物炭是Mg-FBC 和Mg-BBC 。吸附实验表明，Mg-CCBC 对NO3--N 、PO43--P 和NH4+-N 的吸附过程更符合准二级动力学方程，等温吸附 过程更符合Langmuir 模型，以单层吸附过程为主，其吸附机理主要是形成鸟粪 石沉淀结晶。 （2 ）镁铁双盐改性生物炭的制备及其对水体氮磷的吸附作用 镁铁双盐涂层改性未明显改变玉米芯炭的形貌结构，但增加了多种无定形镁 铁盐晶体颗粒，改性后比表面积增大、官能团增多、亲水性和极性均增强，等电 点电位提高了2.2 。考量目标同上，确定了最佳镁铁比例为3/1 ，对NO3--N 、PO43--P 和NH4+-N 的最大吸附量分别为4.58 、30.5 和43.1 mg‧g-1 ；最佳吸附条件是30 ℃、 溶液 pH=6.0~7.0 ；综合考虑六种生物炭对三种营养盐离子吸附效果最好的是 III FM-CCBC 。通过动力学吸附方程和等温吸附模型拟合，发现FMC 对NO3--N 、 PO43--P 和NH4+-N 的吸附过程更符合准二级动力学方程和Freundlich 模型。FMC 对氮磷的吸附机理主要有化学结晶和层间阴离子交换作用。 （3 ）CCBC 和RBC 对雨水吸持与净化效果的比较 综合考察了两种生物炭（CCBC 和 RBC ）作为生物滞留池填料对径流雨水 的吸持与净化能力。在水力性能上，填料CCBC 的储水量和渗水速率均优于RBC ， 其数值分别达到106 mL 和0.45 mL‧cm-1·s-1 ；在雨水理化性质上，填料CCBC 在 提高雨水的pH 值和降低氧化还原电位ORP 的作用效果更明显；在净化雨水污 染物上，RBC 对营养盐中磷酸根、重金属Zn2+ 和Cu2+ 以及总悬浮颗粒物TSS 的 去除率均高于CCBC，去除率分别为55.48%、74.62%、98.65%和94.12% ，而其 对NO3--N 和NH4+-N 吸附效果不如CCBC 。不过，两种炭材料RBC 和CCBC 都 有作为生物滞留池填料的潜能。 以上研究结果证明，镁改性炭Mg-CCBC 和镁铁双盐改性炭FMC 作为环境 友好及可回收利用的处理富营养化水中的氮磷营养盐的吸附材料，未来具有广泛 的应用前景。 关键词：富营养化 生物炭 改性 吸附 硝态氮 铵态氮 磷酸根 IV 目 录 摘 要 III Abstract V 目 录VIII 第一章 绪 论 1 1.1 水体富营养化污染概述 1 1.1.1 水体富营养化形成的原因 1 1.1.2 水体富营养化的危害与对策 2