镁改性卤虫卵壳生物炭对水中氮磷的去除

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水环境中过量的氨氮和磷容易引起水体富营养化,造成水质恶化,水体透明度下降,引发恶臭,形成黑臭水体,破坏水生态的同时对人类的身体健康和生产生活均会产生影响。本研究以水产养殖业废弃物卤虫卵壳为原材料,通过浸渍和慢速热解制备出负载纳米氧化镁的卤虫卵壳生物炭复合材料MgCS-char,将其用以去除水体中的磷酸盐,其吸附后的产物MgCS-char-P用以去除水体中的氨氮。本研究以磷酸盐吸附量为考察参数,通过改变热解温度、热解时间和镁离子浸渍浓度,制备出一系列载镁卵壳炭材料,磷吸附实验表明:采用浸渍浓度为2 mol/L,以5℃/min的升温速率在600℃下热解6 h得到的载镁卵壳炭对磷酸盐的吸附量最大。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱分析(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等手段对材料进行形貌和结构的表征分析。结果表明:高温不会破坏卤虫卵壳的孔道结构,经过浸渍和慢速热解,10 nm级的氧化镁颗粒被成功负载在卤虫卵壳生物炭表面和内部孔道中。磷酸盐吸附实验结果证实了MgCS-char对磷酸盐的高效去除能力。在HCO3-、NO3-、Cl-存在时,MgCS-char对磷酸盐仍保持较高的处理能力和选择吸附性。等温吸附实验结果表明材料对磷酸盐的吸附是一个吸热反应,材料对磷的最大吸附容量达到399.6 mg/g。柱吸附实验证明MgCS-char对磷酸盐具有优秀的处理能力(700 L水/kg吸附剂),出水浓度低于城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)中的一级A标准(0.5 mg/L),且可以通过碱溶液再生。吸附磷后的材料具有良好的沉降性能,可通过重力沉降实现材料与溶液的分离与收集。此外,吸附磷酸盐后的材料MgCS-char-P可通过共沉淀作用去除水中氨氮,将MgCS-char和除磷产物MgCS-char-P应用于生活废水除磷除氮,实现材料的循环使用,出水磷浓度表现优秀且对氨氮的去除率达80%,最终产物可用作土壤改良剂和缓释肥料,实现无废处理和产物资源化利用。
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