改性生物炭對水中磷酸鹽的吸附作用

近年來，隨著工業(yè)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的深入推進，很多富含磷酸鹽的廢水被直接排入自然水體，導致水體中的磷酸鹽大量集聚，引起水體富營養(yǎng)化，進而引發(fā)一系列生態(tài)問題。研究顯示，水體中的磷酸鹽污染已經(jīng)成為一個全球化問題，因此水體除磷技術也成為當前的一個研究重點。水體中各種含磷物質(zhì)的大量增加，導致水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化，影響水體原有的正常生態(tài)，對其中很多植物的正常生長產(chǎn)生了嚴重的負面影響，也會影響到很多魚類的生長。為了有效解決水體的富營養(yǎng)化，就需要做好水體中磷酸鹽等物質(zhì)的清除。

當前，針對水體中磷酸鹽的處理方法較多，可以大致分為物理方法、化學方法和生物方法等。與其他兩種方法相比，物理吸附操作簡單、成本低，而且能夠達到良好的吸附效果，有助于改善生態(tài)環(huán)境，因此得到廣泛應用。改性生物炭比表面積較大，擁有強大的離子交換能力，具有良好的水體磷酸鹽吸附處理效果。

1．實驗方法

1.1實驗材料

實驗材料包括磷酸二氫鉀、植酸溶液、六水合氯化鎂等。

1.2鎂改性生物炭材料的制備方法

實驗選用竹子作為制作原料，洗凈烘干，粉碎并過篩。取10g竹粉末，加入六水合氯化鎂溶液，并密封。在110℃的環(huán)境下烘干后，放入管式真空爐加溫，600℃恒溫1h，在氮氣保護下自然冷卻后取出。使用超純水進行清洗多次，然后進行離心、烘干、磨碎、過篩后備用。

1.3吸附實驗

取15個150mL錐形瓶，將0.3g生物炭加入錐形瓶，然后各加入30mL不同濃度的磷酸鹽溶液和植酸，濃度分別為25、50、100、150、200、250mg/L，振蕩促其使達到吸附平衡，去上清液，過濾后測定磷的濃度，并對改性生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附效果進行分析。

1.4解吸實驗

收集吸附動力學實驗完成以后的生物炭，使用超純清水進行清洗3~5次，然后將其放入烘箱烘干后冷卻。取3份0.1g生物炭，分別融入30mL的純水、30mL的NaOH溶液，還有一份放在常溫環(huán)境下，24h后使用濾網(wǎng)進行過濾，測定磷濃度。

1.5材料表征方法

改性生物炭的物相分析，采用X射線衍射方法進行分析。

2．結(jié)果與討論

2.1鎂改性生物炭對磷的吸附動力學

分析發(fā)現(xiàn)，生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附量都會隨著時間延長而增加。分析發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠在前100h有效吸收植酸，但是達到平衡狀態(tài)所需時間更長。

兩者具有一定相似性，也就是說，使用生物炭吸收水體中的磷酸鹽和植酸，早期吸附速度很快，經(jīng)過一定時間以后，生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附速度下降，再經(jīng)過一定時間以后，吸附速度最終穩(wěn)定下來。對比生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附量，發(fā)現(xiàn)兩者存在差異，具體來講，生物炭在一定時間內(nèi)吸附的磷酸鹽明顯高于植酸。

生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附速度表現(xiàn)為先快后慢的特點，與生物炭自身的結(jié)構和性能存在密切聯(lián)系。在吸附初期，生物炭表面存在大量吸附點，這些吸附點沒有被相關物質(zhì)占據(jù)，此外，早期的吸附也會受到靜電作用的影響，這些要素和特點使得生物炭在水體中對磷酸鹽和植酸的早期吸附能夠達到很快的速度。隨著吸附行為的延續(xù)，大量磷酸鹽和植酸被吸附到生物炭內(nèi)，逐漸改變了生物炭自身的性狀，其中最明顯的一點就是生物炭表面吸附點會減少，吸附速度也會隨之下降。采用動力學模型擬合生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附過程，結(jié)果表明，生物炭能夠有效吸附磷酸鹽和植酸。生物炭對磷酸鹽與植酸的吸附存在明顯差異。

2.2鎂改性生物炭對磷的吸附平衡實驗

生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附平衡結(jié)果顯示，生物炭在吸附磷酸鹽的過程中，表現(xiàn)為先快后慢，也就是說，在早期吸附速度很快，然后會下降，在這個過程中，生物炭對磷酸鹽的吸附量也會達到一個相對穩(wěn)定的值。對比生物炭對磷酸鹽和植酸的最大吸附量，發(fā)現(xiàn)生物炭對磷酸鹽的最大吸附量達到182.5mg/g，對植酸的最大吸附量達到678mg/g。生物炭在吸附磷酸鹽和植酸的數(shù)量方面存在明顯差異。

2.3鎂改性生物炭吸附磷前后的形態(tài)表征

2.3.1XRD表征及晶型分析

為了對比常規(guī)生物炭、載鎂生物炭在吸附磷酸鹽和植酸方面的差異，本次研究還對比了兩種生物炭吸附前后其性狀的變化。對比發(fā)現(xiàn)，吸附作用完成以后，常規(guī)生物炭的XRD沒有出現(xiàn)衍射峰，僅僅表現(xiàn)出鼓包，而載鎂生物炭XRD則出現(xiàn)了一個很高的峰值。對這些峰值進行研究，發(fā)現(xiàn)主要是氧化物和氫氧化物。

分析吸附后生物炭的XRD，結(jié)果顯示，鎂改性生物炭吸附磷酸鹽以后，MgO和Mg(OH)2衍射峰均消失，出現(xiàn)Mg2PO4(OH)·4H2O和Mg3(PO4)2·10H2O兩種磷酸鎂水合物的峰。

2.3.2SEM-EDS表征

鎂改性生物炭吸附磷酸以后其形態(tài)發(fā)生了變化，具體來講，生物炭表面的顆粒物消失，并出現(xiàn)了一些表面光滑的針狀物質(zhì)，這些物質(zhì)含有磷，因此可以斷定，磷在鎂改性生物炭上發(fā)生了化學吸附。根據(jù)XRD分析結(jié)果，可以推定這些針狀物為磷酸鎂化合物。分析發(fā)現(xiàn)，鎂改性生物炭吸附植酸以后，其形態(tài)也出現(xiàn)了變化。生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附速度表現(xiàn)為先快后慢的特點，與生物炭自身的結(jié)構和性能存在密切聯(lián)系。在吸附初期，生物炭表面存在大量吸附點，這些吸附點沒有被相關物質(zhì)占據(jù)，此外，早期的吸附也會受到靜電作用的影響，這些要素和特點使得生物炭在水體中對磷酸鹽和植酸的早期吸附能夠達到一個很快的速度。隨著吸附行為的延續(xù)，大量磷酸鹽和植酸被吸附到生物炭內(nèi)，這就逐漸改變了生物炭自身的性狀，其中最明顯的一點就是生物炭表面吸附點會減少，吸附速度也會隨之下降。采用動力學模型擬合生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附過程，結(jié)果表明，生物炭能夠有效吸附磷酸鹽和植酸。生物炭對磷酸鹽與植酸的吸附存在明顯差異。

3．結(jié)語

生物炭改性以后，可以提高磷酸鹽和植酸吸附效果，具體來講，在吸附過程中對磷酸鹽和植酸的最大吸附容量分別為183.39mg/g、678.87mg/g。分析磷酸鹽和植酸的吸附動力學方程和等溫線等可以發(fā)現(xiàn)，鎂改性生物炭在吸附磷酸鹽過程中其速率明顯更快，但是對植酸的吸附量更大。

分析生物炭對磷酸鹽和植酸的吸附過程，發(fā)現(xiàn)兩者具有一定相似性，也就是說，在吸附過程中，均表現(xiàn)為先快后慢再穩(wěn)定的狀態(tài)，但是生物炭對植酸的吸附量明顯高于植酸，達到50%左右。分析可知，早期生物炭吸附速度很快，是因為靜電作用和生物炭表面存在大量空余吸附點，因此可以促使磷酸鹽和植酸在生物炭材料上實現(xiàn)快速吸附。

對比生物炭吸附磷酸鹽前后的表征結(jié)果，生物炭吸附磷主要以化學沉淀的方式進行，并在吸附過程中生成針狀物，具體為磷酸鎂水合物，針對植酸的吸附則更加復雜，除了化學沉淀以外還有其他反應，生成物為非晶態(tài)的含鎂磷復合物。基金項目：吉林建筑科技學院科學技術研究項目(2018001)。

作者：宋瑋華 (吉林建筑科技學院)

本文刊發(fā)于《中國高新科技》雜志2020年第21期