菱角殼活性炭對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中磷的吸附性能研究

嚴(yán)萌清 胡澤洋 鐘曦

摘要：本研究采用常壓制備的工藝，制備出菱角殼活性炭，對(duì)其進(jìn)行磷吸附動(dòng)力學(xué)及等溫線實(shí)驗(yàn)的研究。結(jié)果表明，吸附過(guò)程速率主要由孔隙內(nèi)擴(kuò)散控制，準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和Langmuir模型分別較好地描述了菱角殼活性炭對(duì)磷的吸附過(guò)程和菱角殼活性炭對(duì)磷吸附等溫曲線，菱角殼活性炭對(duì)磷飽和吸附量擬合值達(dá)26.67mg/g，能有效吸附富營(yíng)養(yǎng)化水體中95%以上的磷，吸附能力良好。菱角殼活性炭作為一種易得、廉價(jià)、高效的吸附劑，在合理回收和解決富營(yíng)養(yǎng)水體問(wèn)題方面具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：富營(yíng)養(yǎng)化水體;菱角殼活性炭;磷;吸附

文章編號(hào)：1008-0546（2022）02x-0095-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.025

自上世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著資源利用強(qiáng)度的增加，導(dǎo)致一些湖泊中氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽嚴(yán)重富集，造成水中藻類(lèi)大量繁殖，溶解氧減少，破壞水體生態(tài)環(huán)境，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)造成巨大壓力，同時(shí)也制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。目前，主要水體除磷方法有化學(xué)沉淀法、吸附法、生物法等，其中吸附法是利用某些多孔或大比表面的固體物質(zhì)對(duì)水中磷酸根離子的吸附親和力，實(shí)現(xiàn)對(duì)廢水的除磷。為擴(kuò)大原料范圍和清潔生產(chǎn)，目前人們更傾向于選擇可再生的植物基廢料作為制備活性炭的原料[2]。

菱角殼是一種在太湖流域很常見(jiàn)的水生植物，適合用于制備活性炭。作為活性炭制備的合適原材料，有取材方便、原料充足和綠色無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，但卻未得到有效利用，多作為廢棄物或燃料，某種程度上還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。已有學(xué)者研究菱角殼的色素應(yīng)用和菱角殼活性炭制作超級(jí)電容器等，但關(guān)于菱角殼活性炭除去和回收磷的方面卻沒(méi)有涉及。本課題利用太湖地區(qū)常見(jiàn)經(jīng)濟(jì)作物菱角殼為原料，采用常壓法制備活性炭，測(cè)試菱角殼活性炭對(duì)富磷水體中磷的吸附性能;通過(guò)比較，優(yōu)化制備方法，以期為富營(yíng)養(yǎng)化水體磷的去除提供經(jīng)濟(jì)有效的環(huán)保材料來(lái)源。

一、材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)用水取自蘇州市古城區(qū)十全河。于2020年8月利用采水器收集水面下0.5m處的河道水，裝入10L的聚乙烯桶中，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室待用，并在藻類(lèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)前用0.45μm的濾膜進(jìn)行過(guò)濾，去除水體中的膠體物質(zhì)和浮游生物。實(shí)驗(yàn)用水經(jīng)過(guò)檢測(cè)，總磷（TP）為0.363mg/L。

2.菱角殼活性炭的制備

實(shí)驗(yàn)所選菱角殼采自蘇州本地。首先將菱角殼用自來(lái)水洗除灰塵，再用去離子水反復(fù)漂洗，烘干備用。再分別經(jīng)過(guò)炭化、活化、酸洗、水洗和干燥等五個(gè)步驟，制備出菱角殼活性炭。采用電子顯微鏡對(duì)制備好的菱角殼活性炭的形貌進(jìn)行成像觀察分析。

3.靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)

（1）吸附動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)

取三組初始濃度分別為10、20、30mg/L的KH2PO4溶液各200mL，置于500mL錐形瓶中，每組0.01mol/LKCl維持離子強(qiáng)度，pH調(diào)至7.0，依次加入0.2g過(guò)100目篩的菱角殼活性炭，置于25°C恒溫振蕩器上振蕩，并定時(shí)抽取一個(gè)樣品，離心后吸上清液，測(cè)定所取樣品中磷的濃度。

（2）吸附等溫實(shí)驗(yàn)

取200mLKH2PO4溶液于500mL離心管中，初始含磷濃度為5-60mg/L，0.01mol/LKCl維持離子強(qiáng)度，pH調(diào)至7.0，依次加入0.2g過(guò)100目篩的菱角殼活性炭，于25°C恒溫振蕩器上振蕩24h，經(jīng)離心后吸上清液，測(cè)定所取樣品中磷的濃度。

二、結(jié)果與討論

1.菱角殼活性炭表征

利用掃描電子顯微鏡，觀察常壓法制備的菱角殼活性炭樣品表面形貌，結(jié)果如圖1所示。活性炭中微米孔和納米孔互相結(jié)合，形成多維多層次孔結(jié)構(gòu)。

2.吸附動(dòng)力學(xué)

圖2分別用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程以及準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程呈現(xiàn)了吸附動(dòng)力學(xué)特征。由圖可知，在不同的磷初始濃度下，菱角殼活性炭對(duì)磷吸附反應(yīng)的變化趨勢(shì)大致相同，單位吸附量隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增大，直至達(dá)到反應(yīng)平衡。

準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程以及準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算表達(dá)式分別為：

其中：q（emg/g）為平衡吸附量，q（tmg/g）為t時(shí)刻吸附量，k1（min-1）及k2（g（/mg·min））分別為準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)和準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)速率常數(shù)。

由下表1可知，準(zhǔn)二級(jí)擬合的相關(guān)系數(shù)略高，能更好地描述菱角殼活性磷吸附的動(dòng)力學(xué)行為。

3.吸附等溫線

眾所周知，如下的Langmuir模型及Freundlich模型是兩個(gè)擬合吸附等溫線的常用模型：

其中：q（emg/g）為平衡吸附量，qm（mg/g）為飽和吸附量，Ce（mg/L）為吸附后溶液的磷濃度，KL為L(zhǎng)ang?muir常數(shù)，KF及n為Freundlich常數(shù)。

對(duì)平衡吸附量qe與相應(yīng)的平衡濃度Ce作等溫吸附曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖可知，隨著磷酸根濃度的增大，吸附劑的平衡吸附量qe增大，但當(dāng)磷酸根濃度達(dá)到一定程度時(shí)，qe的值趨于平緩，幾乎不再變化。

分別用Langmuir方程和Freundlich方程對(duì)等溫吸附數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合參數(shù)值見(jiàn)如下表2。由表可知，Langmuir方程的擬合能更好地描述磷在菱角殼活性炭上的吸附行為，對(duì)磷的最大吸附容量為26.67mg/g。

表3列出了為文獻(xiàn)中幾種磷吸附劑與菱角殼活性

炭磷吸附性能之間的比較。結(jié)果表明，菱角殼活性炭對(duì)磷的最大吸附容量高于這些吸附材料。經(jīng)過(guò)菱角殼活性炭處理，蘇州第十中學(xué)門(mén)前十全河水樣磷去除率可達(dá)到96.5±1.8%，表明菱角殼活性炭是除磷性能較好的吸附材料之一。

三、總結(jié)與展望

（1）Langmuir模型能很好地?cái)M合菱角殼活性炭對(duì)磷吸附的等溫曲線，模型的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.999;準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可較好描述活性炭對(duì)磷吸附過(guò)程，模型的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.99。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，菱角殼活性炭對(duì)磷具有良好的吸附能力，能有效吸附95%以上的磷，且由模型可知，菱角殼活性炭對(duì)磷的最大吸附容量為26.67mg/g，吸附性能優(yōu)于部分文獻(xiàn)中的磷吸附劑。菱角殼活性炭在合理回收和解決富營(yíng)養(yǎng)水體問(wèn)題方面具有良好的應(yīng)用前景。

致謝：感謝江蘇省蘇州第十中學(xué)完善的科創(chuàng)平臺(tái)，感謝所有指導(dǎo)老師放棄暑期休息時(shí)間對(duì)我們團(tuán)隊(duì)的細(xì)心教導(dǎo)，感謝父母和家人的大力支持。

參考文獻(xiàn)

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