摘要：

磷(P)在植物生长中起着至关重要的作用.然而,过量的磷酸盐会导致水体富营养化,甚至对人体造成危害.因此,有必要采取可行的吸附技术去除水体中的磷酸盐.由于生物炭(BC)表面有限的官能团和携带的负电荷,导致其对水体中磷酸盐的去除效果有一定的限制.此外,BC中含有一定量的植物生长所必需的营养元素,可以用来改善土壤性质.然而,BC本身的磷酸盐含量较少,在作为土壤磷肥方面具有一定的缺陷,因此,采取各种各样的改性技术强化BC对水体中磷酸盐的去除效果,并将吸磷后的BC用于土壤改良,提高土壤磷素养分的有效性具有一定意义.本研究利用一锅水热法合成了Fe2O3和Ce CO3OH改性的亲水性多孔BC(Fe/Ce@HPBC),通过批量吸附试验探究了Fe/Ce@HPBC对磷酸盐的吸附效果,探究了其重复再生性能,并解析了其对磷酸盐的去除机制.通过盆栽试验探究了材料吸附磷酸盐后(Fe/Ce@HPBC-P)施用于土壤中对玉米幼苗的生长促进作用,主要研究成果如下:(1)通过FTIR,SEM等多种表征技术对Fe/Ce@HPBC的表面官能团和形貌特征进行分析,证实了Fe2O3和Ce CO3OH的成功负载以及磷酸盐的成功吸附.此外,通过水相吸附试验探究Fe/Ce@HPBC对水中磷酸盐的吸附性能.动力学试验结果表明,Avrami模型更能贴合材料对磷酸盐的吸附过程,证明物理和化学吸附作用同时发生;等温线试验结果表明,Langmuir和Sips模型的拟合程度更高,表明材料对磷酸盐的吸附过程呈现为单分子层吸附,活性位点在材料表面分布均匀,且Fe/Ce@HPBC对磷酸盐理论最大吸附容量为203.88 mg/g.(2)通过共存离子和吸附脱附试验探究了Fe/Ce@HPBC的实际应用潜力和循环利用性能.结果表明:不管在低浓度还是高浓度下,阴离子与磷酸盐竞争材料表面活性位点的作用都比较微小,材料对磷酸盐的去除率均高于80%;五种阴离子对Fe/Ce@HPBC去除磷酸盐的影响顺序由大到小为:HCO3->CO32->SO42->Cl->NO3-,说明Fe/Ce@HPBC在大多数阴离子共存的条件下对磷酸盐都具有较强的亲和力,适合实际应用.此外,经过连续5次循环的吸附-脱附过程后,Fe/Ce@HPBC对磷酸盐的吸附率仍在67%以上,并且解吸效率仍在89%以上,表明Fe/Ce@HPBC具有良好的重复再生性能.(3)通过盆栽试验探究了Fe/Ce@HPBC吸附磷酸盐后对玉米长势的影响以及在土壤中的缓释磷的效果.结果表明:在添加Fe@HPBC-P,Ce@HPBC-P和Fe/Ce@HPBC-P材料的土壤中,由于生物炭中碱性物质的溶解和玉米幼苗根际分泌物的产生导致土壤p H值呈现先升高后降低的趋势;在材料投量比为1.5%的条件下,添加Ce@HPBC-P和Fe/Ce@HPBC-P材料的土壤速效磷含量分别从4.21和5.92 mg/kg增加到31.29和41.16 mg/kg.随着时间的延长,由于玉米的生长需要吸收更多的磷素,而材料吸收的磷含量有限,导致速效磷含量又分别降低至3.53和3.05 mg/kg;此外,探究了与土壤速效磷含量呈正相关的脲酶,酸性磷酸酶和蔗糖酶活性,并测定了土壤速效氮的含量,验证了含磷吸附剂的添加有助于提高土壤酶活性和速效养分含量.通过玉米幼苗的株高,根长,鲜重含量,根系活力,光合色素含量以及幼苗体内全磷,全氮含量进一步验证了含磷吸附剂的添加对植株生长发育的促进作用.(4)通过XPS分析,详细探究了Fe/Ce@HPBC对磷酸盐的去除机理.结果表明:材料对磷酸盐的吸附包括物理和化学过程.其中,物理作用主要为磷酸盐在Fe/Ce@HPBC介孔和大孔上的孔隙填充;化学过程主要分为Ce-O-P和Fe-O-P的内球络合的形成,材料与负电荷的磷酸盐之间的静电吸引,以及Ce-OH与磷酸盐之间的配位体交换.

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