湿地水生植物生物炭对水环境中抗生素与磷酸盐的吸附特性研究

• 作 者: 杭嘉祥
• 出 处: 辽宁石油化工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 芦苇秸秆 莲梗 生物炭 水环境 镁离子改性 诺氟沙星 磷酸盐

湿地是地表自然生态系统的重要组成部分,在涵养水源、降解污染物、保护生物多样性方面具有多种生态功能和显著的经济价值。湿地中的水生植物在其中发挥着重要作用。生物炭是富碳生物质在缺氧或限氧条件下经高温裂解产生的高度炭化多孔物质。本文以湿地中的典型水生植物芦苇和莲花为研究对象,探究了芦苇秸秆生物炭和莲梗生物炭对水环境中诺氟沙星抗生素的吸附特性,并在此基础上将芦苇秸秆生物炭进行了镁离子的改性,研究了镁改性芦苇秸秆生物炭在水环境中对磷酸盐的吸附特性。研究结果表明:（1）芦苇秸秆生物炭和莲梗生物炭的产率、平均孔径和H、O、N元素的含量均呈现出随着炭化温度的升高而下降的趋势,而灰分、p H值、比表面积（BET）、总孔容以及C元素的含量随着炭化温度的升高而增加。对诺氟沙星抗生素的吸附量为:芦苇秸秆生物炭>莲梗生物炭。其中芦苇秸秆在700℃条件下烧制的生物炭对诺氟沙星抗生素的吸附量最大,达4.94 mg?g^-1。（2）在300℃、500℃和700℃条件下制备的莲梗生物炭对诺氟沙星的吸附等温线符合Freundlich方程（R²>0.98）;在300℃、500℃和700℃条件下制备的芦苇秸秆生物炭对诺氟沙星的吸附等温线符合Langmuir方程（R²>0.91）。芦苇秸秆生物炭对诺氟沙星的吸附动力学符合准一级动力学方程（R²>0.89）,吸附机理是物理吸附;莲梗生物炭对诺氟沙星的吸附动力学符合准二级动力学方程（R²>0.94）,吸附机理是物理吸附和化学吸附共同作用。通过颗粒内扩散模型的分析,两种生物炭的吸附速率均由表面吸附、液膜扩散和颗粒内扩散等共同决定。（3）通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱分析（EDS）对芦苇秸秆生物炭镁离子改性前后的形貌特征表征表明,镁离子成功负载在生物炭的表面。通过SEM、EDS、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和X射线衍射分析（XRD）对镁改性生物炭吸附磷酸盐前后的形貌特征表征表明,磷酸盐主要以Mg HPO₄和Mg₃（PO₄）₂的形态吸附在镁改性生物炭上。（4）吸附动力学实验表明,镁改性芦苇秸秆生物炭对磷酸盐的吸附过程符合准二级动力学模型,吸附机理是由物理吸附和化学吸附共同作用的。通过颗粒内扩散模型的分析,吸附速率由表面吸附、液膜扩散和颗粒内扩散等共同决定;吸附等温线分析表明吸附过程符合Langmuir方程,为单分子层吸附。（5）通过共存离子和解吸实验发现Cl^-、SO₄^2-、HCO₃^-和CO₃^2-均抑制镁改性生物炭对磷酸盐的吸附,其中HCO₃^-和CO₃^2-的抑制效果更明显;经过三次解吸,镁改性生物炭可将吸附后的磷完全释放,有利于镁改性生物炭的重复利用。（6）芦苇秸秆生物炭对水环境中磷酸盐的吸附效果较差,但通过镁离子的改性后对磷酸盐的吸附效果显著。当环境温度为308 K,六水合氯化镁的浓度为2 mol?L^-1,投加量为2.0 g?L^-1,p H为7.0时,镁改性生物炭对磷酸盐吸附效果最佳,吸附量可达到2.37 mg?g^-1。