改性生物炭对水中磷酸盐的吸附作用

发表时间:2021/02/24 14:16:46  浏览次数:1942  
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近年来,随着工业化和农业现代化的深入推进,很多富含磷酸盐的废水被直接排入自然水体,导致水体中的磷酸盐大量集聚,引起水体富营养化,进而引发一系列生态问题。研究显示,水体中的磷酸盐污染已经成为一个全球化问题,因此水体除磷技术也成为当前的一个研究重点。水体中各种含磷物质的大量增加,导致水体产生富营养化,影响水体原有的正常生态,对其中很多植物的正常生长产生了严重的负面影响,也会影响到很多鱼类的生长。为了有效解决水体的富营养化,就需要做好水体中磷酸盐等物质的清除。

当前,针对水体中磷酸盐的处理方法较多,可以大致分为物理方法、化学方法和生物方法等。与其他两种方法相比,物理吸附操作简单、成本低,而且能够达到良好的吸附效果,有助于改善生态环境,因此得到广泛应用。改性生物炭比表面积较大,拥有强大的离子交换能力,具有良好的水体磷酸盐吸附处理效果。

「科技探索」改性生物炭对水中磷酸盐的吸附作用

1.实验方法

1.1实验材料

实验材料包括磷酸二氢钾、植酸溶液、六水合氯化镁等。

1.2镁改性生物炭材料的制备方法

实验选用竹子作为制作原料,洗净烘干,粉碎并过筛。取10g竹粉末,加入六水合氯化镁溶液,并密封。在110℃的环境下烘干后,放入管式真空炉加温,600℃恒温1h,在氮气保护下自然冷却后取出。使用超纯水进行清洗多次,然后进行离心、烘干、磨碎、过筛后备用。

1.3吸附实验

取15个150mL锥形瓶,将0.3g生物炭加入锥形瓶,然后各加入30mL不同浓度的磷酸盐溶液和植酸,浓度分别为25、50、100、150、200、250mg/L,振荡促其使达到吸附平衡,去上清液,过滤后测定磷的浓度,并对改性生物炭对磷酸盐和植酸的吸附效果进行分析。

1.4解吸实验

收集吸附动力学实验完成以后的生物炭,使用超纯清水进行清洗3~5次,然后将其放入烘箱烘干后冷却。取3份0.1g生物炭,分别融入30mL的纯水、30mL的NaOH溶液,还有一份放在常温环境下,24h后使用滤网进行过滤,测定磷浓度。

1.5材料表征方法

改性生物炭的物相分析,采用X射线衍射方法进行分析。

2.结果与讨论

2.1镁改性生物炭对磷的吸附动力学

分析发现,生物炭对磷酸盐和植酸的吸附量都会随着时间延长而增加。分析发现,生物炭能够在前100h有效吸收植酸,但是达到平衡状态所需时间更长。

两者具有一定相似性,也就是说,使用生物炭吸收水体中的磷酸盐和植酸,早期吸附速度很快,经过一定时间以后,生物炭对磷酸盐和植酸的吸附速度下降,再经过一定时间以后,吸附速度最终稳定下来。对比生物炭对磷酸盐和植酸的吸附量,发现两者存在差异,具体来讲,生物炭在一定时间内吸附的磷酸盐明显高于植酸。

生物炭对磷酸盐和植酸的吸附速度表现为先快后慢的特点,与生物炭自身的结构和性能存在密切联系。在吸附初期,生物炭表面存在大量吸附点,这些吸附点没有被相关物质占据,此外,早期的吸附也会受到静电作用的影响,这些要素和特点使得生物炭在水体中对磷酸盐和植酸的早期吸附能够达到很快的速度。随着吸附行为的延续,大量磷酸盐和植酸被吸附到生物炭内,逐渐改变了生物炭自身的性状,其中最明显的一点就是生物炭表面吸附点会减少,吸附速度也会随之下降。采用动力学模型拟合生物炭对磷酸盐和植酸的吸附过程,结果表明,生物炭能够有效吸附磷酸盐和植酸。生物炭对磷酸盐与植酸的吸附存在明显差异。

2.2镁改性生物炭对磷的吸附平衡实验

生物炭对磷酸盐和植酸的吸附平衡结果显示,生物炭在吸附磷酸盐的过程中,表现为先快后慢,也就是说,在早期吸附速度很快,然后会下降,在这个过程中,生物炭对磷酸盐的吸附量也会达到一个相对稳定的值。对比生物炭对磷酸盐和植酸的最大吸附量,发现生物炭对磷酸盐的最大吸附量达到182.5mg/g,对植酸的最大吸附量达到678mg/g。生物炭在吸附磷酸盐和植酸的数量方面存在明显差异。

2.3镁改性生物炭吸附磷前后的形态表征

2.3.1XRD表征及晶型分析

为了对比常规生物炭、载镁生物炭在吸附磷酸盐和植酸方面的差异,本次研究还对比了两种生物炭吸附前后其性状的变化。对比发现,吸附作用完成以后,常规生物炭的XRD没有出现衍射峰,仅仅表现出鼓包,而载镁生物炭XRD则出现了一个很高的峰值。对这些峰值进行研究,发现主要是氧化物和氢氧化物。

分析吸附后生物炭的XRD,结果显示,镁改性生物炭吸附磷酸盐以后,MgO和Mg(OH)2衍射峰均消失,出现Mg2PO4(OH)·4H2O和Mg3(PO4)2·10H2O两种磷酸镁水合物的峰。

2.3.2SEM-EDS表征

镁改性生物炭吸附磷酸以后其形态发生了变化,具体来讲,生物炭表面的颗粒物消失,并出现了一些表面光滑的针状物质,这些物质含有磷,因此可以断定,磷在镁改性生物炭上发生了化学吸附。根据XRD分析结果,可以推定这些针状物为磷酸镁化合物。分析发现,镁改性生物炭吸附植酸以后,其形态也出现了变化。生物炭对磷酸盐和植酸的吸附速度表现为先快后慢的特点,与生物炭自身的结构和性能存在密切联系。在吸附初期,生物炭表面存在大量吸附点,这些吸附点没有被相关物质占据,此外,早期的吸附也会受到静电作用的影响,这些要素和特点使得生物炭在水体中对磷酸盐和植酸的早期吸附能够达到一个很快的速度。随着吸附行为的延续,大量磷酸盐和植酸被吸附到生物炭内,这就逐渐改变了生物炭自身的性状,其中最明显的一点就是生物炭表面吸附点会减少,吸附速度也会随之下降。采用动力学模型拟合生物炭对磷酸盐和植酸的吸附过程,结果表明,生物炭能够有效吸附磷酸盐和植酸。生物炭对磷酸盐与植酸的吸附存在明显差异。

3.结语

生物炭改性以后,可以提高磷酸盐和植酸吸附效果,具体来讲,在吸附过程中对磷酸盐和植酸的最大吸附容量分别为183.39mg/g、678.87mg/g。分析磷酸盐和植酸的吸附动力学方程和等温线等可以发现,镁改性生物炭在吸附磷酸盐过程中其速率明显更快,但是对植酸的吸附量更大。

分析生物炭对磷酸盐和植酸的吸附过程,发现两者具有一定相似性,也就是说,在吸附过程中,均表现为先快后慢再稳定的状态,但是生物炭对植酸的吸附量明显高于植酸,达到50%左右。分析可知,早期生物炭吸附速度很快,是因为静电作用和生物炭表面存在大量空余吸附点,因此可以促使磷酸盐和植酸在生物炭材料上实现快速吸附。

对比生物炭吸附磷酸盐前后的表征结果,生物炭吸附磷主要以化学沉淀的方式进行,并在吸附过程中生成针状物,具体为磷酸镁水合物,针对植酸的吸附则更加复杂,除了化学沉淀以外还有其他反应,生成物为非晶态的含镁磷复合物。基金项目:吉林建筑科技学院科学技术研究项目(2018001)。

作者:宋玮华 (吉林建筑科技学院)

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第21期

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