镁镧改性蓝藻生物炭对水中磷酸盐吸附及其资源化利用研究

来源 :南京师范大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:gaolch013
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水体富营养化是亟待解决的热点环境问题,富营养化会导致湖泊、水库和河道等天然水体中的藻类快速增加。近年来,不断爆发的蓝藻水华严重影响水体质量,是全球性的重大环境问题之一,P是造成水体富营养化的关键因子之一。将蓝藻作为生物质进行资源化利用,既能解决蓝藻堆积问题,又能实现水体中磷酸盐的去除,缓解水体富营养化,可作为一种处理蓝藻的新型方式。本文以太湖蓝藻为生物质原料,在氮气保护下高温热解制备成蓝藻生物炭,并使用Mg Cl2和La Cl3通过浸渍法对蓝藻进行化学改性制备Mg、La改性蓝藻生物炭,利用现代分析仪器表征改性生物炭的表面形貌、结构和物化性质,探讨改性生物炭对磷酸盐的吸附性能、动力学及影响吸附的主要因素,分析改性材料对磷酸盐的吸附机制。将吸附磷酸盐后的蓝藻生物炭作为土壤改良剂加以资源化利用,考察回收蓝藻生物炭对土壤p H、P和N等基本指标的改良作用以及对典型蔬菜发芽及生长的影响,确认回收蓝藻生物炭作为土壤改良剂及有效磷肥资源化利用的可行性。主要研究结果如下:(1)X射线衍射(XRD)表征结果表明Mg和La改性后蓝藻生物炭表面形成相应的金属氧化物Mg O和La2O3;扫描电镜(SEM)、元素半定量及氮气吸脱附曲线表征结果表明,蓝藻生物炭及金属改性蓝藻生物炭的C和O含量丰富,且具有大比表面积和丰富的孔隙结构,Mg和La改性分别使对应的金属元素有效掺杂于生物炭中;红外光谱(FT-IR)分析结果证实蓝藻生物炭和Mg、La改性蓝藻生物炭表面均含丰富官能团;Zeta电位表征结果证实蓝藻生物炭和Mg、La改性蓝藻生物炭在p H<6.8-9.5条件下呈正电荷,酸性条件有利于磷酸盐的吸附。(2)Mg、La改性后的蓝藻生物炭对磷酸盐的吸附量明显增加,La改性和Mg La共改性蓝藻生物炭对磷酸盐的吸附率最高,达97.4%以上。通过Design Expert软件对热解温度、p H和生物炭投加量三因素进行条件优化,并在最优条件:热解温度600°C,p H=6.0,投加量为2.0 g/L下进行动力学及吸附等温实验。在四种常见竞争性阴离子与磷酸盐共存的条件下,共存离子对磷酸盐吸附的影响顺序如下:CO32->HCO3->SO42->Cl-。在磷酸盐浓度为10 mg/L的条件下,所制备的生物炭对磷酸盐的吸附满足准二级动力学方程,最佳拟合吸附等温模型是Redlich-Peterson模型。结合材料表征结果及吸附行为,推测生物炭对磷酸盐的吸附机理为羟基化金属氧化物表面与带负电的磷酸盐形成单核和多核配合物,或是溶液中的磷酸盐通过化学反应与金属氧化物反应形成沉淀。(3)将吸附磷酸盐后的蓝藻生物炭投加到土壤中,添加回收生物炭的实验组与对照组相比,土壤p H呈下降趋势,总磷含量显著提升。添加回收生物炭可以提升对蔬菜种子发芽率,其中白菜种子发芽率达到100%,与对照组相比提升了24.1%-38.0%;实验组植株生长茂密,长势较好,幼苗株高提升38.3%-105.8%;幼苗株幅提高了77.7%-105.9%;幼苗鲜重提升了135.6%-199.5%,叶绿素含量显著提升。证明了吸附后回收的生物炭是优质的土壤改良剂,且可以作为有效磷肥。本研究通过将蓝藻制备成环境友好的吸附材料用于水环境中磷的吸附,对减轻水体富营养化,缓解蓝藻对水环境的危害问题具有重要意义。本研究还将吸附磷酸盐后的生物炭回收作为土壤改良剂及有效磷肥,使生物炭和废水中的磷得到资源化利用,既经济又环保,为处理含磷废水和生物炭资源的回收利用提供了一种新思路。
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