硫酸改性生物炭吸附废水中氨氮特性研究

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1、硫酸改性生物炭吸附废水中氨氮特性研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：左昊指导教师:汪诚文教授二○一七年五月StudyontheadsorptionofammoniainthewastewaterbysulphuricacidmodifiedbiocharThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEnvironmentalS

2、cienceandEngineeringbyZuoHaoThesisSupervisor:ProfessorWangChengwenMarch,2002摘要摘要生物炭（biochar）具有来源广泛、廉价、能够作为缓释肥直接应用等优点，近年来受到了广泛的关注，其对缓解中国农村秸秆等废料回收压力、提升黄水氮磷资源化回收效率等都具有重要意义。本研究重点针对生物炭对氨氮的吸附性能较低，以硫酸作为改性剂，通过优化改性条件，提升生物炭对氨氮的吸附性能。对硫酸改性后的7种生物炭材料的氨氮吸附特性，研究其动力学、等温线、pH及水中离子、分子影

3、响；从材料学角度，研究生物炭的表面形态、孔径特征、表面基团等。结论表明，改性后生物炭对氨氮吸附量相比改性前提升至1.69倍，另一方面改性后材料表面物理、化学特性发生显著变化。动力学实验表明，生物炭吸附氨氮均更符合准二级动力学方程。在pH为9.0、起始浓度为75mg/L氨氮溶液环境下，7种条件下所制得的改性生物炭中，平衡吸附量最大为4.18mg/g（70%硫酸改性12h），远高于未改性组0.99mg/g。等温曲线实验表明，曲线关于Langmuir模型的相关系数较高，改性组最大吸附量（qm）较未改性组（11.31mg/g）均有提高

4、，最大可达19.12mg/g（90%硫酸改性24h）。氨氮吸附过程中pH发生明显变化，而较高的起始pH下，材料对氨氮的吸附量较大。分析氨氮吸附机理认为，材料表面带负电对正电铵根离子的吸引，和扩散进入微孔的氨水分子与材料表面的范德华力，是氨氮吸附的两种重要机制。材料学表征研究发现，生物炭材料经硫酸改性后，0.6~1.0nm出现孔径分布的峰值；表面基团中含氧酸数量增加；Zeta电位等电点向低pH偏移。这也从机理角度证明，改性工艺对于材料吸附氨氮能力有提升作用。固定床吸附实验中，改性后生物炭吸附量远高于未改性生物炭样品。采用升流式、

5、1mL/min流速下可以得到最佳的吸附效果（100min穿透），对所回收的氮进行产肥计算，并得到理想经济收益。生物炭吸附氨氮受到弱碱金属阳离子的影响较明显，受到强碱金属阳离子、阴离子有机物的影响较弱，这些现象与改性生物炭材料的物化特征相符合。关键词：生物炭；氨氮吸附；生物炭改性IAbstractAbstractBiocharcanbeproducedfromawiderangeofsources,andcanalsobeusedasslow-releasefertilizer.Recently,biocharhasdrawnm

6、uchattentionbyhelpingtoreducethepressureonrecyclingofruralstrawandotheragriculturalwaste,toimprovetheefficiencyofnitrogenandnitrogenrecoveryefficiency.Thisstudyfocusesonthedeficiencyofammoniaadsorptiononammonianitrogen,andtriestomodifybiocharmaterialswithsulfuricaci

7、d.Theeffectsofsulfuricacidontheadsorptionofammoniaandnitrogenwerestudiedwithexperimentsonthekinetics,isotherm,pHimpactandionimpactinthewater.Thesurfacearea,distributionofporesize,surfacefunctionalgroupsofbiocharwerestudied.Resultsrevealthattheadsorptionofammonianitr

8、ogenhasbeenincreasedby1.69timesasbefore,andmodifiedbiocharshowedobvioustransformationonitsphysicalandchemicalcharacteristics.Resultsofexpe