含锰改性活性炭联合植物对路域水体富营养化修复效果研究.pdf

第 卷第 期 年 月 中 国 锰 业 .收稿日期:作者简介:谢洪波()男浙江金华人正高级工程师主要从事公路工程等方向工作含锰改性活性炭联合植物对路域水体富营养化修复效果研究谢洪波(浙江省商业集团有限公司浙江 杭州)摘 要:为研究改性活性炭联合植物对路域水体富营养化修复效果以纤维化活性炭()为原料双氧水、氢氧化钠、铁的氧化物、硫酸锰为改性剂联合水生植物水葱()对富营养化水体进行修复 研究了吸附剂投加量、改性吸附剂物理结构参数及红外光谱图测定了改性活性炭联合植物修复富营养化水体水体中总氮()、总磷()、吸附量和去除率 根据实验结果得出 种材料均对水体中、的去除率显著 其中/联合处理的效果最好随着处理时间的增加 的额浓度呈现下降的趋势 种材料对、的处理能力大小为/含锰吸附剂对富营养物质的单位吸附量大小顺序为 吸附剂的加入量为.的时候吸附剂对、和 的单位吸附量分别为./考虑到吸附能力和富营养物质的去除率以及吸附剂的使用成本和效果推荐吸附剂的加入量为 .关键词:锰活性炭水生植物水葱路域水体富营养化中图分类号:文献标识码:./.前 言社会经济的不断发展和农业种植的不断扩大水肥一体化实施的大面积推广导致河流、湖泊、路域水体的富营养化问题趋于严重水体中的氮、磷、氨氮等指标都超出了现行饮用水的标准水质的恶化使得水体的透明度和 值下降自然环境遭遇严重破坏 目前对于富营养化水体的处理方式分为物理、化学和生物 种处理方法 化学法能够快速地改善水体但易残留大量的化学物质在水体中且保持时间较短 物理法中常采用活性炭一类的生物质原料如稻草、秸秆、椰壳等经过高温碳化处理后的多孔结构物质有效地吸附水体环境中的污染物 活性炭具备较大的比表面积和孔隙度且物性稳定具有特殊结构等特点可以采用不同的方法对其改性提高其吸附性能 生物法是通过改善水体中的生态系统结构结合微生物和水生植物改善水体能够长时间保持水体的洁净度和透明度该方法是较为生态的水体处理方法 水生植物在生长过程中可以利用富营养化水体中的营养物质并将其固定在植物体内改善总氮()、总磷()、氨氮()等指标 长期种植水生植物能够净化水体维持水体的透明度并且抑制藻类的繁殖达到修复水体的效果 目前研究较多的水生植物有石昌蒲、黄菖蒲、美人蕉、泽泻、荇菜、水葱、中华天胡荽肚兜萍、大漂等水生植物对水体的净化及其根际效应是一种生态的水体净化方法值得推广应用研究针对路域富营养化水体水体中的、等指标超标采用纤维化活性炭材料()经过二次化学改性包括双氧水、氢氧化钠、硫酸亚铁铵、六水氯化铁、硫酸锰等联合水生植物(水葱)研究改性活性炭联合水生植物对路域水体富营养化修复的有效性 探究该方法对路域水体中的、去除效果寻找经济环保、有效的富营养化水体修复方法和修复剂为水体净化剂处理提供参考中 国 锰 业第 卷 实验部分.实验材料.活性炭原料选择活性炭按照来源分为煤质类的活性炭、生物质类活性炭、合成材料类的活性炭和其他类别的活性炭按照形态分为颗粒类的、粉末类的和纤维类的活性炭本研究选用纤维类活性炭作为原料 纤维类的活性炭是沥青及有机类的化合物通过反应生成主要成分为六边形结构的环状碳元素基本不含灰分环状的六边形结构以柱状的形式堆叠形成纤维状有大量的微孔绝大部分微孔的直径在.左右 孔径较多且分布密集均匀进行吸附的行程短具备较大的比表面积吸附速度快再生能力强其主要指标见表 表 纤维活性炭主要指标比表面积/()吸碘值/()亚甲基蓝值/()孔容积/()平均孔径/.主要试剂双氧水(分析纯)、硫酸锰(分析纯)、工业硝酸()、七水硫酸亚铁(分析纯)、六水氯化铁(分析纯)、氢氧化钠(工业级)、硫酸(分析纯).实验用水生植物实验用的水生植物采购于花卉市场根据前期的调研 选择容易成活 且 长 势 良 好 的 水 葱()作为富营养水体联合处理的水生植物 实验之前把水葱用去离子水反复浸泡洗涤去除植物自身携带的杂质和一些氮磷等营养物质.实验设备傅里叶变换红外光谱仪()、紫外分光光度计()、电热鼓风烘干箱()、酸度计()、恒温振荡器()、电加热反应器()、比表面积分析仪()、电子天平().实验设计.改性活性炭制备在 烧杯中加入 纤维性活性炭()和 的双氧水浸泡 后除去活性炭中的杂质、有机物质和灰分 过滤后在固体活性炭中再加入 浓度为的硝酸并搅拌反应 后第 次过滤获得的固体加入 /的 溶液搅拌并加热至 反应 后第 次过滤滤渣用去离子水洗涤至 为中性得到初步改性的活性炭()最后在鼓风干燥箱中烘干 备用配制/的七水硫酸亚铁铵溶液、/的六水氯化铁溶液、/的硫酸锰溶液各 然后把 种溶液在 的烧杯中混合均匀称取 改性活性炭加入到烧杯中搅拌加热反应 自然冷却后过滤该反应物滤饼用去离子水反复洗涤至中性得到最终改性的活性炭()最后在鼓风干燥箱中烘干 备用.改性活性炭加入量对水体修复效果取石屏县异龙湖周边还田人工湿地富营养化水体作为实验用水水质指标 为./为.为./氨氮为./为./为./根据实验需求调整 为/为/为/设置 个样品分别取 实验用水分别加入.改性剂然后置于振荡器中进行振荡连续反应 后取吸附完成的水体检测其中的、指标.改性活性炭联合植物修复实验实验开始前首先对水生植物 进行培养定值培养时间为 待 定值成活后选取长得较好的且大小相对一致的 移植到实验所用的塑料容器中 用打孔的聚氯乙烯泡沫固定在水槽中漂浮于水面 实验用的塑料设备尺寸为 的敞口塑料实验池富含富营养化的水体 整个塑料装置放置于大棚中接受自然光照防止雨水落入实验的过程中不断补充蒸馏水以保持容器中的水量 不同处理的水槽底部用 塑料透水球装入不同的吸附剂每个球装填的量为 每个水槽投入的吸附剂为 整个实验的周期为 每隔 对水体取样分析检测其中的总氮、总磷、氨氮的含量 结果与讨论.改性活性炭吸附剂红外光谱图谱经过双氧水改性后的活性炭红外光谱见图 从图 可以看出 个伸缩振动点图中 的峰形谱属于活性炭的酚羟基基团(包括 和)、基团的伸缩振动所导致的图谱该峰第 期谢洪波:含锰改性活性炭联合植物对路域水体富营养化修复效果研究出现在 和 吸附剂中 在 出现了一个伸缩振动这个点的振动主要是由于醛基、酮类、羧基基团和内酯基团的产生了碳氧双键的振动 到 的峰段属于芳香烃环的伸缩振动在 峰段对照数据图谱查询该峰谱属于醚的长链的结构氧化物的碳氧碳对称伸缩振动、醇类的碳氧伸缩振动以及 的弯曲振动现象 图 中的红外吸收光谱图显示经过改性的 比未改性的 的吸收能量大且吸收峰明显证明该改性方法对原有的活性炭改性有效且在官能团和结构上发生了显著的变化双氧水和碱对活性碳进行了改性处理一定程度上增加了活性炭的空隙含氧官能团的含量从而进一步增强了活性炭的吸附极性提供了和铁相互作用的分子面和点位可以增强吸附剂对富营养化水体的处理效果和能力波数/cm-14 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 5000NA-XWTXWT透光率/%1 5181 7171 6251 3103 445图 双氧水改性后的活性炭红外光谱 经过铁盐、亚铁盐和锰盐处理后的活性炭红外光谱图见图 从图 可以看出 个伸缩振动点图中 和 的峰形谱属于活性炭的酚羟基基团(包括、)、水的 基团伸缩振动所导致的图谱该峰线出现在 和 吸附剂中 在 附近出现了 个伸缩振动这个点的振动主要是由于醛基、酮类、羧基基团和内酯基团产生了碳氧双键的振动 附近出现了明显了波峰状的图谱该波峰出现在 吸附材料上而 材料没有出现波峰和波谷 的位置点属于 的共面变形 该材料在红外图谱上出现了波形的变形和位移本质上不能改变物质的结构因此不会出现新的波形图谱 附近出现了明显的波谷状图谱同样出现在 吸附材料上该波谷属于 的反向变形振动该处的波峰和波谷吸收曲线是由于不同类型的铁盐和改性吸附剂反应后出现的图谱 波段出现了 的弯曲振动呈现了一种 晶格的结构活性炭的表面聚集了大量的 晶格结构的吸附位点增加了活性炭的吸附能力和吸附强度证明本次改性实验的吸附剂是成功的能够吸附无机物和有机物波数/cm-14 000 3 500 3 0002 5002 000 1 5001 000500XWTMn-Fe-NA-XWT透光率/%1 6981 5679033 4673 372853675图 经铁盐、亚铁盐和锰盐处理后的活性炭红外光谱.活性炭及改性活性炭的物理参数各吸附材料的物理参数见表 可以看出经过双氧水和氢氧化钠处理过的活性炭比表面积降低经过双氧水氧化后原有活性炭的孔隙出现了破坏性塌陷导致了总比表面积、中孔比表面积的数值降低经过锰、铁改性后的活性炭总孔容、微孔体积和中孔体积的数值明显降低了 由于锰盐、铁盐的介入改性活性炭的孔中充满了锰和铁的化合物导致了孔容及比表面积大幅下降 总孔容方面由./下降到了 ./比表面积由 ./下降到了./表 活性炭及改性活性炭的物理参数吸附剂比表面积/()孔容/()平均孔径/().中 国 锰 业第 卷.改性活性炭的加入量实验不同加入量的改性活性炭对富营养化水体的修复效果见图 从图 可以看出随着 加入量的增加、和 的去除率呈现快速上升的趋势 当改性活性炭的加入量为 的时候、和 的去除率分别为.、.和.当加入量增加到.时去除率达到了最大值再继续增加改性活性炭的量、和 的去除率增加幅度非常小去除率曲线呈现水平状 分析其原因随着改性活性炭的继续增加可以提供的吸附容积和点位也增加但是水体中的富营养物质含量已经很低无法推动吸附传质的发生 对应于去除率曲线吸附量曲线呈现下降的状态改性活性炭对富营养物质的单位吸附能力大小为 当加入量为.时改性活性炭对、和 的单位吸附量./综合考虑吸附能力、富营养物质的去除率、成本和效果改性活性炭的最优加入量为.投加量/gTN吸附量TP吸附量NH4-N吸附量TN去除率TP去除率NH4-N去除率0246810121420181614121086420吸附量/mgg-1100908070605040302010去除率/%图 改性活性炭加入量对去除率和吸附量的影响.改性活性炭联合植物修复实验不同吸附剂对 的吸附效果见图 从图 中活性炭()、双氧水 锰铁改性活性炭()和双氧水 锰铁改性活性炭水葱联合(/)处理富营养水体的 的曲线可以看出 种材料均对水体中的 有显著的去除率 初始浓度为./经过 的吸附处理后 分别降低到了./去除率分别为.、.和.在吸附处理前 内吸附剂的吸附效率相当高 后吸附能力逐渐减弱主要原因是吸附容量已经饱和不能再提供有效的吸附空隙和吸附位点 种材料对 的吸附能力大小为/时间/d0102030405060总氮浓度/(mg/L)2.52.01.51.00.50.0XWTMn-Fe-NA-XWTMn-Fe-NA-XWT/SV图 不同吸附剂对 的吸附效果 不同吸附剂对 的吸附效果见图 从图 中可以看出 种材料均对水体中的 有显著的去除率 的初始浓度为./经过 的吸附处理后 分别降低到了./去除率分别为.、.和 在吸附处理前 内吸附剂的吸附效率高 后吸附能力逐渐减弱主要原因是吸附容量已经饱和不能再提供有效的吸附空隙和吸附位点 种材料对 的处理能力大小为/时间/d01020304050600.250.200.150.100.050.00XWTMn-Fe-NA-XWTMn-Fe-NA-XWT/SV总磷浓度/（mg/L）图 不同吸附剂对 的吸附效果 不同吸附剂对 的吸附效果见图 从图 中可以看出 种吸附材料对水体中的 有第 期谢洪波:含锰改性活性炭联合植物对路域水体富营养化修复效果研究显著的去除率 的初始浓度为./经过 的吸附处理后 分别降低到了./去除率分别为.、.和.充分说明了吸附剂联合水生植物处理富营养化水体 的去除率提升了接近 对于 的去除具有显著的效果 在吸附处理前 内吸附剂的吸附效率高超过 吸附能力逐渐减弱主要原因是吸附容量已经饱和不能再提供有效的吸附空隙和吸附位点 种材料对 的处理能 力 大 小 为/时间/d0102030405060XWTMn-Fe-NA-XWTMn-Fe-NA-XWT/SV氨氮浓度/（mg/L）0.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0图 不同吸附剂对 的吸附效果 结 论)经过锰和铁改性后的活性炭总孔容、微孔体积和中孔体积的数值明显降低了 由于锰盐和铁盐的介入改性活性炭的孔中充满了锰和铁的化合物导致了孔容及比表面积大幅下降 总孔容方面由 ./下降到了./比表面积由 ./下降到了./)红外光谱图显示经过改性的 比未改性的 的吸收能量大且吸收峰明显证明该改性方法对原有的活性炭改性有效且在官能团和结构上发生了显著的变化 双氧水和碱对活性碳进行了改性处理一定程度上增加了活性炭的空隙含氧官能团的含量从而进一步增强了活性炭的吸附极性提供了和铁相互作用的分子面和点位可以增强吸附剂对富营养化水体的处理效果和能力 波段出现了 的弯曲振动呈现了一种 晶格的结构活性炭的表面聚集了大量的 晶格结构的吸附位点提升了活性炭的吸附能力和吸附强度 证明本次改性实验的吸附剂是成功的能够吸附无机物和有机物)种材料均对水体中的、有显著的去除率 其中/联合处理的效果最好随着处理时间的增加 的额浓度呈现下降的趋势 种材料对、的处理能力大 小 为/)吸附量曲线呈现下降的状态而去除率曲线呈现上升趋势 改性活性炭对富营养物质的单位吸附量进行排序为 改性活性炭的加入量为.的时候对、和 的单位吸附量./综合考虑吸附能力、富营养物质的去除率、成本和效果改性活性炭的最优加入量为 .参考文献:王敏张晖曾惠娴等.水体富营养化成因、现状及修复技术研究进展.安徽农业科学():.刘娇妹.不同植物对富营养化水体中氮和磷的去除效果研究.灌溉排水学报():.曾明颖顾凡强王仁睿.不同水生植物种植模式对富营养化水体的净化效果研究.四川农业大学学报():.严萌清胡泽洋钟曦.菱角壳活性炭对富营养化水体中磷的吸附性能研究.化学教与学():.刘建英刘玉华刘国华等.水生植物对富营养化水体去除氮磷研究.江苏林业科技():.陈鹏姜磊姜彬等.改性活性炭催化湿式氧化垃圾渗滤液膜滤浓缩液.工业水处理():.陆晓东麻荣福解炜等.煤基压块活性炭在水深度净化过程的吸附特性.洁净煤技术():.刘雪平闫晓乐张焕等.氯化铁改性椰壳活性炭去除 二氯苯酚的吸附性能研究.化学试剂():.中 国 锰 业第 卷 (.):./././././.:(上接第 页)():.:.: