生物质炭是由生物质(如农作物秸秆、畜禽粪便等有机废弃物)在厌氧或缺氧的条件下经高温热解后产生的一种富碳固态产物[1, 7, 8]。生物质炭的孔隙结构发达,比表面积大,使其具有良好的吸附性能。研究表明生物质炭可以去除废水中的重金属离子[9, 10]、有机污染物[11]等,因此可作为一种吸附材料应用于废水治理,但目前利用生物质炭吸附铵态氮、治理含氮废水的研究尚少。
我国是一个农业大国,近些年农作物产量逐年增加的同时,农业废弃物也相应地增加[7]。我国每年会产生7亿吨左右的农作物秸秆,其中水稻、玉米、小麦等大宗农作物秸秆占70%左右[7, 8],如果直接将这些农作物秸秆焚烧处理,必然会造成环境的污染,以及资源的浪费,而将它们制备成生物质炭则是一个变废为宝的好方法。因此,本课题以此为创新点,利用农作物桔秆制备生物质炭吸附剂,探讨其对废水中铵态氮的吸附性能,为实现农作物秸秆资源化利用、发展经济高效的含氮废水治理技术等提供依据。

1  材料与方法
1.1  生物质炭的制备
实验选用的稻草秸秆和玉米秸秆均取自北方,而花生秸秆取自南方。将采集的花生秸秆、稻草秸秆和玉米秸秆在室温下风干,粉碎过10目筛。将过筛的秸秆样品装进陶瓷坩埚中,填实后盖上盖子,放入马弗炉中,分别在300℃、400℃和500℃下厌氧热解2h,待冷却至室温后取出生物质炭,磨细过60目筛以备用[12, 13]。生物质炭产率的计算公式如下[13]:
 
1.2  溶液的配制
铵态氮标准贮备溶液[ρ(N)=200mg/L],将0.7643g烘干的氯化铵[NH4Cl,分析纯,南京化学试剂有限公司]溶于水,定容至1L。然后一系列不同浓度的NH4Cl溶液(0.1,0.5,1.0,1.5,3.0,5.0 和10.0mmol/L)通过连续稀释制备。   
1.3 吸附实验
称取生物质炭样品0.100g置于50mL康宁离心管中,分别加入20mL不同浓度(0.1,0.5,1.0,1.5,3.0,5.0 和10.0mmol/L)的NH4Cl 溶液,混合均匀[2]。悬浮液pH用HCl和NaOH溶液进行多次调节,每次调节pH后,将悬浮液置于室温下振荡2h,直至pH值稳定为6.0,平衡时间为48h。接着将悬浮液离心5min,设置离心机转速为4500r/min,将离心后的溶液过孔径为0.45μm的水系过滤器。最后采用靛酚蓝比色法测定滤液中的NH+ 4。
靛酚蓝比色法的操作步骤如下,吸取一定量的平衡溶液置于25mL的比色管中,加入适量的去离子水稀释,然后依次加入2.5mL酚溶液和2.5mL次氯酸钠碱性溶液进行显色反应,摇匀在室温下(20±5℃)静置1h后,加入0.5mL掩蔽剂以溶解可能生成的沉淀物,加去离子水定容至刻度线,摇匀,用紫外分光光度计在625nm波长处进行比色[14]。
选择沸石和活性炭作为对照材料,测定方法同上。
1.4 生物质炭CEC的测定
用改进的醋酸铵取代法测定生物质炭的CEC[13, 15]。称取0.200g生物质炭,先用20mL去离子水洗涤5次,接着用20mL 1mol/L的醋酸钠溶液(pH=7)洗涤五次,再用20mL的95%乙醇洗涤五次,以去除多余的Na+。之后,将原滤纸上的生物质炭用95%的乙醇冲洗转移至新滤纸上,最后用20mL 1mol/L醋酸铵溶液(pH=7)洗涤五次,用容量瓶收集滤液,最终定容至100mL。生物质炭的CEC根据被NH+4取代出的Na+计算出来,滤液中的Na+用火焰光度法测定。
1.5 生物质炭改性处理
    称取3g 300℃玉米秸秆生物质炭,加入20mL 10% H2O2溶液,在室温下(25±0.5℃)放置2h后,用去离子水漂洗,置于80℃的烘箱内烘干[16]。以未经处理的300℃玉米秸秆生物质炭作为对照,过300目筛。分别称取两种生物质炭0.05g于250mL的锥形瓶中,加入200mL 0.1mmol/L的NaCl溶液后,超声分散1h,摇匀分装至6支50mL康宁离心管中,分别调节pH至3.0、3.8、4.6、5.4、6.2和7.0,平衡48小时后,测定Zeta电位[10]。
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