论文总字数：16498字

目 录

1绪论 1

1.1生物质炭研究进展 1

1.2水体中除磷研究进展 1

1.3研究意义 3

2材料与方法 3

2.1 供试材料 3

2.1.1 生物质炭制备 3

2.2 试验方法 4

2.2.1 磷标准曲线绘制 4

2.2.2 吸附等温线实验 5

2.2.3 吸附动力学实验 5

2.2.4 生物质炭pH和可交换磷测定 5

2.3 分析方法 5

2.4 计算方法 5

2.4.1 产率计算 5

2.4.2 吸附量计算 6

2.4.3 等温吸附方程拟合 6

2.4.4 动力吸附方程拟合 6

3结果与分析 7

3.1生物质炭性质 7

3.1.1产率 7

3.1.2 pH、可交换磷 7

3.3 生物质炭对磷的吸附动力曲线 10

3.4 生物质炭理化性质对吸附磷能力的影响 13

3.4.1 pH对磷吸附能力的影响 13

3.4.2 可交换磷对磷吸附能力的影响 14

4结论 14

参考文献 15

致谢 17

不同生物质炭对磷吸附能力研究

余艳

,China

Abstract: In this study, camphor, Pipa tree, evergreen branches and bamboo material was made of biochars produced via pyrolysis at 500℃ and the four production rates of biochar were 21.57%, 23.35%, 19.74% and 13.77%, respectively. Adsorption capacity on phosphorus by different biochars were evaluated by dynamic and equation quilibrium adsorption experiment. The equilibrium of adsorption phosphorus by biochars occurred within 12h, and the process was described by the pseudo order dynamic equation.The equilibrium adsorption was fitted with both Langmiur and Freundlich equation,with Langmiur better. The maximum adsorption under 20℃ were 4761.905 μg·g^-1, 2439.024 μg·g^-1 and 1639.344 μg·g^-1, respectively for camphor, Pipa tree and evergreen branches bichars. Our results suggest that biochars produced by camphor could act as potential adsorbents in the removal of phosphorus pollution in water. While the bamboo biochars had a negative absorption of phosphorus，the adsorption equilibrium was -365.415 μg·g^-1. Adsorption capacity is influenced both pH and exchanged phosphours. Adsoption phosphours by biochar was positively related pH, while it was negatively correlated with the exchanged phosphours.

Key words：Plant material;Biochars;Phosphorus;Adsorption

1绪论

1.1生物质炭研究进展

生物质炭是黑炭的一种^[1]。可由农作物秸秆、水生生物、树木、排泄物等生物质经过高温裂解得到。国外相关的研究中将其称为“biochar”^[2]，通常指由农业废弃物、树皮落叶、木头等在温度低于700℃条件下形成的产物^[3]。生物质炭用途广泛，日常用于工业生产中的生物质炭包括竹炭、木炭和秸秆炭等。碳、氢、氧、氮是构成生物质炭的主要元素，其中碳含量最高，一般含量超过60%^[4]。另外，生物质炭中还含有灰分包含Ca、N、P、Mg、K等元素^[5]。热裂解温度会决定生物质炭的终极元素组成与含量分布，热裂解温度越高，含碳量以及灰分占比提高，而氢和氧所占比则会降低，同时生物质材料的构成性质对于产物炭中的元素比例分配也有大的影响作用。

生物质炭含有一定的碱性物质，pH值在5-12范围内，呈碱性。这是由于植物生长过程中对养分的吸收使得植物体内含有一定量的钙离子、镁离子和钾离子等金属阳离子，为维持植物体内的电荷平衡，在其生长途中，便自身积累碱基，与阳离子结合，在制备生物质炭加热时，植物体内的碱基凝聚，使生物质炭呈碱性^[6]。前人已研究了用三个不同温度热解制备小麦秸秆、玉米秸秆和大豆秸秆的生物质炭，研究结果表明生物质炭的pH与温度呈正相关。-COOH和-OH等的一系列存在于表面的含氧官能团也是生物质炭表现碱性的一方面原因。由于生物质炭的CEC（阳离子交换量）含量很高，提高了土壤的电荷量，增加土壤的阳离子交换量，而CEC又是指示土壤肥力的一大指标，所以将生物质炭施用于土壤中可以提高土壤肥力，增加粮食作物产量，利于农田可持续化发展。

生物质炭孔隙结构发达，比表面积巨大，按照孔隙大小可分为三种，小孔隙（lt;0.9nm)、微孔隙（lt;2nm)和大孔隙（gt;50nm)。因为孔隙结构的发达，生物质炭施入土壤后改变了对分子的吸附转移方式，给微生物种群提供了大量的生存繁殖场所，因而改变了土壤的通气性和田间持水量。在土壤中，生物质炭对于一些污染性的重金属离子有较大的吸附容量，使得重金属元素的生物有效性降低，降低了污染危害。同时施加生物质炭还提高了肥料的利用率，减少了因为农肥的使用造成的农业面源污染，避免农药等残留物给地表水及地下水带来的次生污染，利于农业可持续发展，因此生物质炭对于土壤改良有重大意义。鉴于生物质炭在土壤环境中的重要作用，生物质炭的应用已经得到了更多国内和海外科研机构等的重视。国外众多地区已成立了生物炭科研机构，我国由陈温福院士组建了我国第一个省级生物炭工程技术研究中心,用于研究生物质炭对土壤作物以及生态环境的积极影响作用。如今，生物质炭的应用推广是生物质炭科学研究的重要科技价值，让生物质炭更多的应用到实际生活中，改善当下的土壤修复技术，目前国内的研究已逐渐受到重视，并呈现快速发展态势。

1.2水体中除磷研究进展

在自然界中，磷多以各种磷酸盐形式存在于各种生物的新陈代谢过程中，并决定农作物的产量大小，对人类的生存发展由重大影响力。但随着社会经济的不断发展。人们在生活和劳作时会使用各类农药，磷肥和洗涤剂等，另外，生活污水以及工农业废水的随意排放^[8]等都会产生大量的含磷废水。水体中的磷主要存在形态为溶解态、悬浮态和胶体三种，而各种状态的含磷化合物又可以分为正磷酸盐，聚合磷酸盐和有机磷。正磷酸盐和聚合磷酸盐是天然水体中磷的两种主要存在形态，城市生活污水、工农业排放废水等都是磷的源头。水体中有机磷的含量一般较低，主要来源是农药和污水中有机成分，只有少部分来自水生物体内的转化和固定^[9]。因为来源不同所以决定了磷的不同的存在形态。大量的营养元素磷进入水中，造成水体富营养化，使得水中藻类过量繁殖引起水质恶化，湖泊消减，破坏了水体中的生态系统，严重威胁水生生物的生存和人类健康^[10]。如2007年太湖蓝藻事件，蓝藻的大量爆发，使得太湖水域全被污染产生恶臭，还影响了居民自来水供应，使得饮用水成了大问题。这就就是我国水体富营养化造成的一个巨大污染的典型事件。除此之外，世界各地的河流、湖泊和水库等水体都受到了大大小小的磷的污染，呈现富营养化的状态。调查研究表明，自上世纪80年代以来，我国的水体富营养化问题就初步显现。在对国内的湖泊进行调查后，绝大数湖泊都存在水体富营养化现象。因此，研究废水除磷技术刻不容缓。

含磷的污水往往造成大范围的污染，它的处理工艺相对复杂，并对环境有严重的危害性。目前有两大类除磷方法，第一种是使用积淀反应和吸附作用，将待处理污水中的磷变为不溶性的盐酸盐状态沉淀去除；第二种是使用微生物法，利用微生物细胞复合过程把磷吸附到污泥细胞中除去。一般将水体中除磷法概括两大类：物理化学除磷法和生物除磷法。物理化学除磷法又按照去除方式不同分为化学凝聚法，离子交换法和吸附法等^[11]。

化学凝聚法原理是通过易溶性金属盐中的离子与水中的磷发生化学反应形成难溶性金属盐沉淀，去除水中的磷含量。钙盐、铁盐、铝盐等是使用较多的几种沉淀剂，这种方法的可控因素主要是调节合适的pH，以及控制添加的金属离子与废水中磷含量浓度比。这种方法磷的去除率能达到70%，具有稳定的处理结果，但是由于需要投入化学试剂，会在反应中形成很多污泥，二次治理费用大难度高。

离子交换法是利用溶液中的离子与树脂上官能团发生反应，并结合到树脂上的过程，从而吸收去除污水中的磷^[12]。这种方法的关键在于选择合适的离子交换剂和吸附、淋洗条件。这种除法容易出现树脂药物中毒现象，难以应用到实际生活中。

吸附法是通过一些孔性较多的固体吸附剂将废水中的磷吸附于表面，在用溶剂将磷解析，从而去除磷。常见的一些天然物质及工业炉渣等都可作为吸附剂，这种方法的关键是制备适用且高效的吸附剂，天然材料及工业炉渣成本低，还可以废物二次利用，但这些材料吸附容量较低。吸附法的劣势在于吸附剂再生过程中会产生污水，造成二次污染，推广应用有困难。

生物除磷技术是一种在活性污泥法基础上的优化方法，即在原有活性污泥工艺的基础上增加一个厌气流程，使用微生物来过饱和吸附磷，并将其储存在微生物内，变成聚磷微生物，以除去废水中的磷含量。这种除磷方法现已非常成熟，主要的生物除磷工艺有：A/O工艺、A²/O工艺、Bardenpho 工艺、Phoredox 工艺、UCT工艺、改良型UCT、VIP工艺、奥贝尔氧化沟工艺、MSBR工艺以及连续流一体化活性污泥工艺。废水中的碳磷比、溶解氧量都是决定生物技术去除磷污染好坏的的重要影响因素。理论上，该方法的去除率在90%左右，但当废水中的磷含量很高时，往往需要进行二次除磷处理，才能达到规定的磷的排放标准，工艺复杂耗时长。

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