牛粪生物炭吸附水中的影响因素及特性

林静雯, 吴　丹, 孙丽娜, 王丹丹, 张　岩, 丁海涛

(沈阳大学 环境学院, 沈阳　110044)



林静雯, 吴丹, 孙丽娜, 王丹丹, 张岩, 丁海涛

(沈阳大学 环境学院, 沈阳110044)

摘要:为了使以牛粪生物炭为吸附剂在去除水体中的氨氮得到应用,进行了牛粪生物炭去除氨氮的影响因素及吸附特性研究.结果显示:当牛粪裂解温度为500 ℃时,在碱性条件下,牛粪生物炭的添加量大于20 g/L时,初始质量浓度为50 mg/L时,对水中氨氮的去除率最佳.但随着投加量的增加,单位吸附量呈减小趋势,而随着初始质量浓度增加,单位吸附量从增加速率显著到趋于减缓.牛粪生物炭吸附平衡时间为80 min.朗缪尔方程比弗罗因德利希方程能更好地拟合牛粪生物炭吸附水中氨氮等温过程,为自发的吸热、单分子层吸附;其吸附过程符合准二级动力学方程,主要为化学吸附,并伴随着物理吸附过程.

关键词:生物炭; 牛粪; 吸附; 氨氮

吸附法作为目前水体中氨氮污染处理中的重要手段之一[1],降低其吸附剂成本、提高吸附剂效率是吸附法在水体氨氮污染处理中推广和应用的最关键因素,随着水环境的氨氮污染日益严重,开发廉价、环保、高效的吸附剂已成为了目前该领域亟待解决的热点问题之一[2].

近年来,在水体氨氮污染处理的各种吸附剂开发中,生物炭作为一种富含炭基的新型吸附材料受到了广泛的关注[3].邢英等[4]研究了木屑生物炭对水体中铵氮的吸附特性表明:生物炭对氨氮的最大吸附量为1.24 mg /g,氨氮在生物炭上的吸附动力学数据符合假二级方程.李飞跃等[5]动态吸附实验表明:在500 ℃条件下热解制备的稻壳生物炭对氨氮的平均吸附量为1.78 mg/g,可以作为吸附剂高效去除废水中的氨氮.张继义等[6]研究了小麦秸秆生物炭对氨氮的吸附性能和影响因素表明:300 ℃直接炭化的小麦秸秆生物炭在pH=9时,氨氮去除率可达到60%左右,其动力学曲线符合准二级动力学模型.

目前生物炭作为新型吸附材料用于处理氨氮废水的研究中,以植物生物质为原料制备生物炭研究的比较多,而以动物排泄废物为原料制备生物炭的用于处理氨氮废水的研究文献涉及较少.

本文以牛粪为原料制备生物炭作为吸附剂,研究其去除水中氨氮的影响因素及吸附特性.一方面为畜禽养殖粪污之一牛粪制备生物炭的开发和工业应用提供基础数据,另一方面为牛粪资源化在氨氮废水处理方面的利用提供一种新的可持续的技术支撑.

1材料与方法

1.1材料

牛粪生物炭:本实验的牛粪生物炭在实验室采用缺氧热解法制备.鲜牛粪取自沈阳市辽中县某牛养殖厂,经过自然风干的牛粪,粉碎后置于有控温装置的马弗炉中,在300～700 ℃缺氧条件下热解2 h.冷却至室温后研磨,过60目筛,备用.500 ℃制备的牛粪生物炭其pH值为9.55,比表面积为86.43 m2/g,灰分为27.3%.

氨氮废水:本实验氨氮废水为1 000 mg/L NH4Cl溶液按实验要求稀释而成.

1.2吸附试验

1.3数据分析与计算方法

(1)

(2) 吸附量

(2)

(3) 吸附等温线方程拟合.分别用朗缪尔、比弗罗因德利希模型对吸附等温线进行非线性拟合.

朗缪尔模型方程为

(3)

比弗罗因德利希 模型方程为

(4)

(4) 动力学方程拟合.分别用准一级动力学模型和准二级动力学模型以及Elovich方程对吸附时间曲线进行非线性拟合[7].其方程式分别为

准一级方程:

(5)

准二级方程:

(6)

Elovich方程:

(7)

式(5)～式(7)中:Qt为t时刻的吸附量,mg/g;t为时间,min;Qe为平衡时的吸附量,mg/g;K1为动力学一级反应速率常数,min-1;K2为动力学二级反应速率常数,g/(mg·min);A和B分别为上述动力学方程的常数.

2结果与讨论

图1　生物炭的制备温度对去除率影响

图2　溶液pH值对去除率影响

吸附时间对水中氨氮吸附影响见图3.随吸附时间从20 min增加到80 min时,氨氮去除率逐渐增大.当吸附时间达到80 min时,逐渐达到吸附平衡.水中氨氮的去除率为46%左右.由此可知,牛粪生物炭吸附达到平衡时间很短.

图3　吸附时间t对吸附影响

图4　生物炭投加量对吸附的影响

图5　初始质量浓度对吸附的影响

根据朗缪尔模型和比弗罗因德利希模型拟合数据,研究氨氮在牛粪生物炭上的吸附热力学行为.结果见表1.对比回归系数R2可知,朗缪尔模型R2达0.94以上,因此,朗缪尔方程比比弗罗因德利希方程更好地描述牛粪生物炭对水中氨氮的吸附行为,即主要发生单分子层吸附.这与文献报道结论基本相一致[12].根据朗缪尔计算得到在25和35 ℃条件下牛粪生物炭对水中氨氮的最大吸附量分别为5.371 8和6.456 1 mg/g,与实测值4.02和4.65 mg/g相差较小.因此,牛粪生物炭对水中氨氮的吸附过程为自发的吸热、单分子层吸附.

表1　朗缪尔和比弗罗因德利希模型拟合参数

表2　牛粪生物炭对氨氮的吸附动力学参数

3结论

参考文献:

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【责任编辑: 祝颖】

Characteristics Ammonia Nitrogen Adsorption onto Biochars Derived from Dairy Manure and Its Influencing Factors

LinJingwen,WuDan,SunLina,WangDandan,ZhangYan,DingHaitao

(School of Environmental Studies, Shenyang University, Shenyang 110044, China)

Abstract:To enable the application of biochar, which is derived from dairy manure as raw material, on removing ammonia nitrogen from aqueous solutions, the influential factors and adsorption properties of dairy manure biochar in the removal of ammonia nitrogen from aqueous solution are studied. The result shows that, when the temperature of dairy manure biochar pyrolysis is 500 ℃, the solution is alkaline solution, the amount of dairy manure biochar is more than 20 g/L, and the initial ammonia nitrogen mass concentration is 50 mg/L, the adsorbing effectiveness of dairy manure biochar on ammonia nitrogen is optimal. However, under the same initial mass concentration conditions, the acceleration rate of adsorbing ammonia nitrogen increases significantly at first, but diminishes as the dosage of manure biochar increases. The adsorption equilibrium time of manure biochar is about 80 minutes. The Langmuir isotherm equation can better describe the isothermal adsorption behavior than the Freundlich sotherm equation. The adsorption behavior of biochar on ammonia nitrogen is monolayer adsorption and pertains to spontaneous endothermic process. The adsorbing process conforms to the Quasi Secondary Dynamics Equation, and the adsorption is mainly chemical adsorption accompanied by physical adsorption process.

Key words:biochar; dairy manure; adsorption; ammonium

文章编号:2095-5456(2016)03-0186-05

收稿日期:2016-01-04

基金项目:科技部中德科技合作项目(S2012ZR01912); 国家重点基础研究发展计划项目[973项目](2014CB441106); 沈阳科技计划项目(F14-133-9-00)

作者简介:林静雯(1965-),女,辽宁大连人,沈阳大学教授.

中图分类号:X 703.1

文献标志码:A