改性類水滑石和沼渣生物炭對磷-氨氮的吸附機理和應用研究.pdf

1、目前我國的江河湖庫等淡水水域正在普遍遭受的不同程度的富營養(yǎng)化污染，主要是由于人類自身活動導致的在短時間內(nèi)排放含有大量氮磷的污水引起。本論文分別制備了針對磷、氨氮吸附的有機插層類水滑石(Layered double hydroxides，LDHs)和沼渣生物炭(biochar)，詳細研究了兩者的吸附機理，并針對沼液中的磷和氨氮進行了吸附應用，以期在高效去除氮磷的同時，回收利用資源。本研究的主要內(nèi)容如下:
　　1.采用雙滴法合成了均苯

2、四甲酸插層的鋅鋁類水滑石（Zn2Al-PMA-LDHs），并確定其結構通式為[Zn0.68Al0.32(OH)2](PMA)0.08·0.3H2O。在pH=3-9的混合模擬污水中，Zn2Al-PMA-LDHs對其中的磷都有超過90％的吸附選擇性，全面超過普通未插層鋅鋁類水滑石(Zn2Al-Cl-LDHs)。尤其在中性條件下，Zn2Al-PMA-LDHs對磷的吸附選擇性和吸附量更是分別達到了97.42％和64.79mg/g，而Zn2Al-

3、Cl-LDHs分別只有38.26％和31.50 mg/g。通過FT-IR和XPS表征推斷的吸附機理表明，Zn2Al-PMA-LDHs對磷具有很高的吸附選擇性是因為其具有不同于普通LDHs離子交換的吸附機理，而是其層間PMA羧基上C=O中O原子與H2PO4-和HPO42-上-OH之間存在氫鍵作用，并且-OH作為氫鍵供體，解離態(tài)羧基上的O原子作為氫鍵受體。故H2PO4-和HPO42-可以通過氫鍵作用被Zn2Al-PMA-LDHs識別并優(yōu)先吸

4、附。
　　2.將以上兩種LDHs吸附材料應用于沼液中磷的吸附去除，結果表明Zn2Al-PMA-LDHs對沼液中磷的吸附性能同樣優(yōu)于Zn2Al-Cl-LDHs。當吸附劑用量為0.1 g/L時，其對沼液中磷的吸附量達到40.31 mg/g，較Zn2Al-Cl-LDHs提高了約248％。Zn2Al-PMA-LDHs經(jīng)0.1 mol/L NaOH溶液的解吸率為60％～80％，經(jīng)過4個循環(huán)周期后，其對沼液中磷的吸附量仍能達到首次吸附量的70

5、％左右。Zn2Al-PMA-LDHs吸附磷是一個快速平衡、吸熱、熵增、自發(fā)的過程，吸附動力學符合準二級動力學模型，吸附等溫線符合Langmuir模型。
　　3.通過絕氧熱解法，以KOH為活化劑，制備了以豬糞沼渣和秸稈沼渣為原料的生物炭(BC-PM，BC-ST)，兩者產(chǎn)率分別為48.51％和35.15％，碳含量分別為15.75％和37.57％，灰分含量分別為62.93％和49.67％。BET分析表明，BC-PM的比表面積為167.8

6、8 m2/g，BC-ST的為260.21 m2/g。同時SEM表征分析發(fā)現(xiàn)，BC-PM表面粗糙但無明顯孔結構，而BC-ST表面有明顯的孔結構。在模擬污水中，BC-PM普遍比BC-ST擁有更好的氨氮吸附性能。結合SEM-EDX和FT-IR表征分析推斷的吸附機理研究表明，生物炭的C含量、孔結構等性質并不是決定其氨氮吸附性能的關鍵，生物炭的灰分才是主要因素，其中SiO2的吸附作用和離子交換作用是BC-PM和BC-ST共有的主要吸附機理，碳酸鹽

7、礦化物作為BC-PM特有的氨氮額外吸附位點，對氨氮吸附的作用較小。
　　4.將BC-PM和BC-ST應用于沼液中氨氮的吸附去除，結果表明BC-PM同樣較BC-ST有更優(yōu)異的氨氮吸附性能。BC-PM和BC-ST對沼液中氨氮的吸附動力學曲線都較符合Elovich方程;吸附等溫線都較符合Langmuir模型，最大吸附容量分別為48.89 mg/g和28.86 mg/g。
　　本文通過LDHs有機插層的方法設計并制備了對磷具有高選擇