再力花生物质炭对水体氮、磷的吸附性能

doi:10.16178/j.issn.0528-9017.20250216

摘要/Abstract

摘要：

如何处理废弃水生植物是生态沟渠最终实现农业面源污染过程拦截作用的关键问题，生物质炭化是目前秸秆型废弃物资源化普遍采用的措施。本研究选择生态沟渠中普遍种植的再力花作为炭化材料，探讨不同炭化温度（400、500、600 ℃）与盐酸改性方法下制备生物质炭的吸附特性。材料性质表征表明，提高炭化温度与盐酸改性均显著有利于生物质炭孔隙形成，400 ℃炭化并经盐酸改性的再力花生物质炭对$\mathrm{NO}_3^{-}$-N和$\mathrm{PO}_4^{3-}$的吸附效果最佳，600 ℃炭化并经盐酸改性后生物质炭对$\mathrm{NH}_4^{+}$-N吸附效果最佳。再力花制备生物质炭具备水质净化能力，其中盐酸改性相较于提高炭化温度，对增强生物质炭吸附能力效果更佳，为后续生态沟渠水生植物资源化利用提供技术支持。

关键词: 再力花, 生物质炭, 氮, 磷, 吸附性能

Abstract:

The treatment of discarded aquatic plants is crucial for enabling ecological ditches to effectively intercept agricultural non-point source pollution. Biomass carbonization is a widely adopted method for the resource utilization of straw-type waste. This study selected Thalia dealbata Fraser，a common plant in ecological ditches，as the carbonization material to investigate the adsorption characteristics of biochar prepared under different carbonization temperatures（400，500，600 ℃）and hydrochloric acid modification methods. Material characterization revealed that both increasing carbonization temperature and hydrochloric acid modification significantly promoted pore formation in the biochar. The biochar carbonized at 400 ℃ and modified with hydrochloric acid demonstrated the best adsorption performance for $\mathrm{NO}_3^{-}$-N and $\mathrm{PO}_4^{3-}$，while the biochar carbonized at 600 ℃ and modified with hydrochloric acid showed the highest adsorption capacity for $\mathrm{NH}_4^{+}$-N. The biochar derived from Thalia dealbata Fraser exhibits water purification potential，with hydrochloric acid modification proving more effective than increasing carbonization temperature in enhancing adsorption capacity. This study provides technical support for the subsequent resource utilization of aquatic plants in ecological ditches.

Key words: Thalia dealbata Fraser, biochar, nitrogen, phosphorus, adsorption performance

中图分类号:

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图/表 8

表1 不同生物质炭材料的元素组成和比表面积

Table 1 Elemental composition and specific surface area of different biochar materials

生物质炭	元素含量/％									H/C（摩尔比）	O/C（摩尔比）	S_BET/（m²·g^-1）
生物质炭	C	H	O	N	Na	K	Ca	Mg	灰分	H/C（摩尔比）	O/C（摩尔比）	S_BET/（m²·g^-1）
TD	42.61	6.60	25.43	5.01	0.73	3.11	3.64	0.51	—	1.86	0.45	—
TD4	54.32	3.01	12.63	3.86	0.96	1.12	6.37	1.96	24.13	0.66	0.17	2.81
HTD4	40.67	2.41	11.79	2.62	0.45	0.69	2.47	0.86	50.28	0.71	0.22	70.73
TD5	60.14	2.05	11.34	3.16	1.41	2.98	5.83	1.44	33.67	0.41	0.14	3.26
HTD5	47.39	1.98	10.56	2.71	1.27	2.63	4.52	1.09	60.45	0.50	0.17	105.49
TD6	63.60	1.89	11.40	2.01	1.21	2.64	5.77	1.30	45.31	0.36	0.13	15.36
HTD6	50.84	1.79	10.37	1.65	0.93	2.12	5.11	0.83	74.19	0.42	0.15	110.12

图1 不同生物质炭材料的电镜扫描图（a），TD4；（b），HTD4；（c），TD5；（d），HTD5；（e），TD6；（f），HTD6。

Fig.1 Scanning electron microscope（SEM）images of different biochar materials

图2 不同生物质炭材料的XRD图

Fig.2 XRD patterns of different biochar materials

图3 不同生物质炭材料的FT-IR图谱（a），400 ℃；（b），500 ℃；（c），600 ℃。图中黑色线为再力花植物样品，蓝色线为未改性生物质炭，红色线为改性生物质炭。

Fig.3 FT-IR spectra of different biochar materials

图4 不同炭化温度下（a）未改性和（b）改性生物质炭对$\mathrm{NO}_3^{-}$-N的Freundlich和Langmuir吸附模型qe 表示吸附平衡时的吸附量；ce 表示吸附平衡时的溶液质量浓度。下同。

Fig.4 Freundlich and Langmuir adsorption models of $\mathrm{NO}_3^{-}$-N on unmodified and modified biochar at different carbonization temperatures

表2 生物质炭对$\mathrm{NO}_3^{-}$-N、$\mathrm{NH}_4^{+}$-N、$\mathrm{PO}_4^{3-}$的吸附等温线拟合结果

Table 2 Fitted adsorption isotherms of biochar for $\mathrm{NO}_3^{-}$-N-N，$\mathrm{NH}_4^{+}$-N，and $\mathrm{PO}_4^{3-}$

生物质炭	污染物	Freundlich模型			Langmuir模型
生物质炭	污染物	k_f/ （mg·g^-1）	1/n	R²	q_m/ （mg·g^-1）	b/ （L·mg^-1）	R²
TD4	NO₃ -N	0.205	0.685	0.954	10.023	0.009	0.935
	$\mathrm{NH}_4^{+}$-N	0.248	0.651	0.971	9.210	0.011	0.943
	$\mathrm{PO}_4^{3-}$	0.440	0.392	0.983	3.030	0.048	0.968
HTD4	NO₃ -N	0.718	0.705	0.985	29.409	0.014	0.990
	$\mathrm{NH}_4^{+}$-N	0.558	0.745	0.978	32.585	0.010	0.962
	$\mathrm{PO}_4^{3-}$	0.393	0.867	0.987	79.436	0.004	0.990
TD5	NO₃ -N	0.422	0.535	0.969	7.276	0.019	0.933
	$\mathrm{NH}_4^{+}$-N	0.376	0.572	0.948	7.822	0.017	0.894
	$\mathrm{PO}_4^{3-}$	0.652	0.341	0.965	3.567	0.051	0.944
HTD5	NO₃ -N	1.217	0.590	0.982	27.594	0.018	0.986
	$\mathrm{NH}_4^{+}$-N	0.812	0.688	0.974	37.989	0.010	0.962
	$\mathrm{PO}_4^{3-}$	0.483	0.835	0.976	62.352	0.005	0.985
TD6	NO₃ -N	0.228	0.682	0.967	9.531	0.011	0.966
	$\mathrm{NH}_4^{+}$-N	0.197	0.717	0.991	10.885	0.009	0.981
	$\mathrm{PO}_4^{3-}$	0.787	0.336	0.951	4.157	0.057	0.936
HTD6	$\mathrm{NO}_3^{-}$-N	1.370	0.557	0.990	26.238	0.019	0.981
	$\mathrm{NH}_4^{+}$-N	0.375	0.825	0.985	44.536	0.006	0.989
	$\mathrm{PO}_4^{3-}$	0.780	0.781	0.951	73.559	0.006	0.993

图5 不同炭化温度下（a）未改性和（b）改性生物质炭对$\mathrm{NH}_4^{+}$-N的Freundlich和Langmuir吸附模型

Fig.5 Freundlich and Langmuir adsorption modelsof $\mathrm{NH}_4^{+}$-N on unmodified and modified biochar at different carbonization temperatures

图6 不同炭化温度下（a）未改性和（b）改性生物质炭对$\mathrm{PO}_4^{3-}$的Freundlich和Langmuir吸附模型

Fig. 6 Freundlich and Langmuir adsorption models of $\mathrm{PO}_4^{3-}$ on unmodified and modified biochar at different carbonization temperatures

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