还原富铁矿石制备零价铁及其对生物炭中水溶性磷的滞留作用

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:andychinajj
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生物炭在环境修复领域被广泛研究,生物炭中的磷作为一种不可再生的营养元素而备受关注。而生物炭中的水溶性磷释放到水环境中,会导致水体富营养化,进而危害生态系统健康,同时造成磷资源浪费。为此,本文以农业废弃秸秆为研究对象,探索了秸秆生物炭中水溶性磷在环境中的释放规律;以不同富铁矿石(褐铁矿、菱铁矿和磁铁矿)为前驱体,在600℃氢气气氛下焙烧制备零价铁(ZVI),研究了 ZVI对磷的富集作用和反应机理;在不同的热解温度下,以生物炭同步还原磁铁矿制备零价铁/炭复合材料,通过表征和静态批次实验,探究了零价铁/炭复合对生物炭中水溶性磷的滞留作用及机制。得到以下结论:(1)玉米芯生物炭的水溶性磷释放量显著高于其他秸秆生物炭,且释放量随着热解温度的升高而增加,最高可达8.3 mg/g。通过对动力学数据的拟合得出生物炭的水溶性磷释放动力学符合Elovich方程,表明该过程主要受扩散作用控制。土壤基质阳离子对500℃热解得到的玉米芯生物炭(CCB500)中水溶性磷释放存在一定的抑制作用,抑制程度为Fe(Ⅲ)>Ca(Ⅱ)>Mn(Ⅱ)>Mg(Ⅱ)。(2)氢气热处理还原富铁矿石可得到纳米级粒径(30~60 nm)、比表面积较大(15~70 m2/g)的ZVI。其中,磁铁矿因具有较高的铁含量(87.4%Fe2O3)和多孔结构,对富集磷具有显著作用,可达13.45mg P/g ZVI。表面络合、静电吸附和Fe氧化产生的Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)对磷的共沉淀作用是ZVI富集磷的主要机理。矿石原样在15天内未检出Pb(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)、Hg(Ⅱ)的释放。(3)磁铁矿与玉米芯0.25:1的质量混合比,850℃的热解温度,2 h的热解时间是零价铁/炭的最佳制备条件。在低pH溶液中,850℃热解得到的玉米芯生物炭(CCB850)中金属结合磷更易溶解,促进水溶性磷的释放量,零价铁/炭复合物(MCCB-0.25)表面电荷为正,通过静电吸引作用促进对阴离子磷酸基团的吸附。在高pH溶液中,OH-与磷酸基团竞争吸附位点,MCCB-0.25水溶性磷释放量升高。阴离子的加入促进了 CCB850的水溶性磷的释放,促进次序为NO3->SO 2-4≈Cl-。但阴离子对MCCB-0.25中水溶性磷的释放有抑制作用,其顺序为:SO 2-4>Cl->NO3-。
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