牛粪生物炭对水中氨氮的吸附特性

分类：论文范文 发表时间：2021-04-20 09:38

　　摘要:以牛粪生物炭为吸附剂，研究了pH、粒径、投加量、温度和共存阳离子等因素对牛粪生物炭吸附氨氮的影响及吸附特性．结果表明，共存阳离子Na+、Ca2+的存在对牛粪生物炭吸附氨氮有抑制作用，在Na+、Ca2+浓度相同条件下对氨氮吸附影响大小顺序为Na+＞Ca2+;牛粪生物炭吸附氨氮的最佳初始pH值应在5～8范围;通过对动力学数据进行分析，发现准二级动力学方程(Ｒ2=0.9673)比准一级动力学方程(Ｒ2=0.7659)和Elovich方程(Ｒ2=0.7249)能更好地拟合动力学数据，颗粒内扩散方程拟合结果发现牛粪生物炭对氨氮的吸附包括表面吸附和颗粒内扩散两个过程．吸附等温线拟合发现Freundlich方程(Ｒ2=0.9762)能很好地描述氨氮在牛粪生物炭上的吸附行为．吉布斯自由能变化(ΔGθ)、焓变(ΔHθ)和熵变(ΔSθ)的计算结果表明，牛粪生物炭对氨氮的吸附是自发的吸热过程．

　　关键词:生物炭;牛粪;吸附;氨氮;动力学

　　氨氮是水体中氮的主要形态之一，其污染来源多且排放量大，是海洋、湖泊、河流以及其他水体富营养化的污染物．进入水体后的氨氮导致藻类异常增殖，致使水体透明度下降、溶解氧降低、水质变坏、鱼类及其他生物大量死亡［1］;氨氮可对人体造成危害，氨氮进入人体后合成亚硝基化合物，从而诱发癌变［2］．因而，在水资源短缺且水污染日益严重的今天，氨氮的去除显得尤为重要．

　　1材料与方法

　　1.1仪器与试剂

　　UV-1800型紫外/可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司);PB-10型pH计(赛多利斯科学仪器有限公司);KSW-12-11马弗炉(上海跃进医疗器械厂);FA2004N电子天平(上海精密科学仪器有限公司);THZ-82A气浴恒温振荡器(江苏丹阳门石英玻璃厂)．

　　1.2生物炭制备

　　牛粪采自武威市某养殖场，捡出其中的石块等杂物风干，破碎至粒径小于20目，尽量装满已清洗烘干后的坩埚内，盖好盖子于400°C的马弗炉中炭化6h，经冷却至室温后取出，分别过40、60和80目筛;制得的生物炭用1mol·L－1HCl洗涤5次，去除灰分;过滤后用去离子水洗至中性，于70～80°C温度下烘干装于棕色瓶中待用．制得的生物炭标记为DMBC400，其中DMBC表示牛粪生物炭，数字表示炭化温度．

　　2结果与讨论

　　2.1生物炭的结构特征

　　采用元素分析仪测定生物炭中C、H、O和N元素的质量组成和原子比，同时用全自动比表面积和孔隙度分析仪测定生物炭的比表面积和孔径分布，结果见表1．由于原料牛粪中存在大量的矿质元素，制得的生物炭含有较多灰分，含量达到了37.56%，从元素分析结果可以看出，DMBC400中的C含量较高，H和N含量较低，通常分别用H/C，(N+O)/C原子比表征吸附剂的芳香性和极性指数的大小［17］，即H/C越小则芳香性越高、(N+O)/C比值大则极性越大．由表1可见，DMBC400样品为高极性和低芳香性．同时DMBC400样品的比表面积为6.45m2·g－1，相对来说较小，其孔体积为8.174×10－2cm3·g－1，平均孔径为13.14nm．

　　2.2吸附动力学

　　分别用4种动力学方程［18］对动力学数据进行拟合，使用的动力学方程分别为式(3)～(6)，拟合图形如图1，拟合得到的各动力学方程参数见表2和表3．9761

　　3结论

　　(1)准二级动力学方程很好地描述氨氮在DMBC400上的吸附过程，颗粒内扩散方程拟合图形分为两部分，说明DMBC400对氨氮的吸附是由表面吸附速率和颗粒内扩散共同控制的．Freundlich吸附等温方程能很好拟合等温吸附数据，表明DMBC400对氨氮的吸附以多分子层不均匀吸附模式为主．

　　(2)吸附热力学研究表明，不同温度下该吸附反应的ΔGθ＜0、ΔHθ＞0以及ΔSθ＞0．即牛粪生物炭吸附氨氮的反应为自发过程，其吸附过程为吸热，吸附过程其固液界面的自由度增加．

　　(3)投加量影响试验确定牛粪生物炭吸附氨氮最佳投加量为20g·L－1．pH值对DMBC400吸附氨氮主要是因为pH改变了氨氮在水中的存在形式．共存阳离子Na+和Ca2+的存在对氨氮的吸附产生影响，且在Na+和Ca2+浓度相同的条件下，对DMBC400吸附氨氮影响大小顺序为Na+＞Ca2+．

　　参考文献:

　　［1］刘炎，石小荣，崔益斌，等．高浓度氨氮胁迫对纤细裸藻的毒性效应［J］．环境科学，2013，34(11):4386-4391．

　　［2］LoganathanP，VigneswaranS，KandasamyJ．Enhancedremovalofnitratefromwaterusingsurfacemodificationofadsorbents－Areview［J］．JournalofEnvironmentalManagement，2013，131:363-374．

　　［3］AndalibM，NakhlaG，ZhuJ．Highratebiologicalnutrientremovalfromhighstrengthwastewaterusinganaerobic-circulatingfluidizedbedbioreactor(A-CFBBＲ)［J］．BioresourceTechnology，2012，118:526-535．

　　马锋锋，赵保卫*，刁静茹，钟金魁，李安邦

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