芦苇生物炭的制备及氨氮吸附特性研究

摘要 为解决废弃水生植物的资源化利用问题，以及使水生植物制备的生物炭在吸附水体中的氨氮（NH4+-N）时得到更好的利用，采用湿地芦苇为原材料烧制芦苇生物炭，探查芦苇生物炭的物理特征，在不同的试验条件下，研究芦苇生物炭对水体中NH4+-N的吸附特性。结果表明：生物炭材料表面细长，粗糙不平，附着许多小颗粒，具有多孔结构。吸附动力学研究表明，6 h为芦苇生物炭吸附NH4+-N的最佳时间参数，吸附过程更符合准二级拟合方程。等温吸附线研究表明，25 ℃能更好地描述芦苇生物炭对NH4+-N的等温吸附过程，芦苇生物炭对NH4+-N的等温吸附更符合Freundlich方程。

关键词 芦苇生物炭；氨氮；吸附特性；动力学；吸附等温线

中图分类号 X 173  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）12-0075-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.12.015

Preparation of Reed Biochar and Study on Its Ammonia Nitrogen Adsorption Characteristics

XIA Yuan，QI Ya-rong，ZHONG Yan-xia

（School of Ecology and Environment，Ningxia University，Yinchuan，Ningxia 750021）

Abstract In order to solve the problem of resource utilization of waste aquatic plants，the biochar prepared by aquatic plants can be better utilized when absorbing NH4+-N in water，this paper used wetland reed as raw material to burn reed biochar，and explored the physical characteristics of reed biochar，under different experimental conditions，the adsorption characteristics of reed biochar to NH4+-N were studied.The results showed that the surface of reed biochar was elongated，rough and uneven，many small particles were attached，and it had a porous structure.The adsorption kinetics study showed that 6 hours was the optimal time parameter for reed biochar to adsorb NH4+-N，and the adsorption process was more in line with the quasi second order fitting equation.The isotherm study showed that 25 ℃ could better describe the isotherm adsorption process of NH4+-N by reed biochar，and the isotherm adsorption behavior of reed biochar on NH4+-N was more in line with the Freundlich equation.

Key words Reed biochar;Ammonia nitrogen;Adsorption characteristics;Kinetics;Adsorption isotherm

基金项目 宁夏重点研发计划项目（2021BEG02010）;国家自然科学基金项目（42277466，41561106）。

作者简介 夏苑（1999—），女，宁夏固原人，硕士研究生，研究方向：环境化工与材料。*通信作者，教授，博士，博士生导师，从事区域环境变化研究。

收稿日期 2023-08-03

水体富营养化的治理与修复是我国水污染目前仍需解决的问题［1］，而氨氮则是污染水体的最主要氮源，由游离氨和NH4+形成，其主要形式由水溶液的pH和温度决定［2］。水中藻类等水体微生物会随着大量的NH4+-N排入水体快速繁殖，使溶解氧含量下降，造成水质恶化，引起水体富营养化，甚至地下水也受到严重危害［3］。水体富营养化呈现快速增长趋势，影响人们的日常生活和身体健康，使经济和生态环境等领域难以实现可持续发展［4］。因此，如何治理与修复水体富营养化现状迫在眉睫，也是生态环境领域的热点之一。

当前，减少废水中NH4+-N含量的主要方法包括生物硝化-反硝化、化学沉淀、折点加氯法、选择性离子交换法和吸附法等［5］。在这些方法中，物理方法较为简单且易操作，但部分会产生二次污染物危害环境；化学法虽然对NH4+-N的去除率较高，但价格昂贵，使用成本高，无法得到有效推广应用。研究发现，吸附法具有设备与实操方法简单高效、运行成本低并绿色环保的优点，被认为是一种具有良好发展前景、经济实用的氨氮废水处理技术［6］。生物炭是处理NH4+-N废水的一种绿色环保的新型吸附材料。有研究表明，用芦苇秸秆等干枯的水生植物为原材料制备的生物炭一方面可以使水生植物作为废弃物得到资源化利用［7］，另一方面还可以有效维持其对水体的净化［8］。

本着资源利用的原则，越来越多的学者从不同来源收集可回收的废弃物并将其制备成生物炭，通过不同的试验研究其对水中氨氮的吸附效果。Ibrahim等［9］使用西瓜皮制备生物炭及吸附特性的研究显示，生物炭吸附NH4+-N先迅速上升，然后在40 min左右达到吸附饱和并趋于平衡状态，最高吸附率达99%。Kizito等［10］研究发现，初始浓度为1 400 mg/L 氨氮含量的废水，以木材和大米为原料制备的生物炭的吸附量分别为44.64和39.80 mg/g。

大量研究表明，生物炭对氨氮的去除效果显著。因此，该研究在实验室条件下制备了芦苇生物炭，探讨芦苇生物炭的物理特性及其对氨氮的吸附能力，不仅可以提高芦苇秆的资源化利用，还可以选择芦苇生物炭的最佳吸附参数，从而提供去除水体NH4+-N的理论依据，为解决富营养氧化水体的治理与修复补充基本数据。

1 材料与方法

1.1 材料的制备

芦苇秸秆采自宁夏平罗县野生芦苇。将芦苇秸秆切成1～2 cm的小段，用去离子水冲洗干净，放置通风处风干，置于烘箱内将其设置为70 ℃烘至干燥，粉碎至80目进行造粒，然后放入马弗炉中，通过排气孔连接真空泵进行热解处理。热解过程先从10 ℃/min升温至100 ℃，1 h后，当材料受热均匀后，将仪器升温速率设定为5 ℃/min，炭化温度设定为500 ℃，热解2 h，冷却到室温后，取出称其质量后，放入密封袋，记为BC保存。

1.2 试验方法

1.2.1 芦苇生物炭的物理表征。

用扫描电子显微镜（SEM）与比表面积及孔径分析仪，观察BC的表面结构并获得BC的比表面积与孔径； BC中C、H、O、N、S元素的含量及表面官能团通过元素含量分析仪及傅里叶红外光谱（FTIR）获得；运用纳米粒度及Zeta电位分析仪（Nano-ZS ZEN3600）获得Zeta电位分析BC表面电荷的正负。

1.2.2 静态分批吸附试验。试验在不同生物炭添加量、不同pH、不同振荡时间、不同温度、不同初始浓度条件下进行。将芦苇生物炭置于50 mL离心管中，加入一定浓度的NH4+-N溶液，恒温振荡一定时间，取出后加入絮凝剂，静置10 min后置于离心机中，在4 000 r/min的转速下离心5 min，取出后过滤（先用滤纸和漏斗过滤，弃去1～2 mL后用0.45 μm针孔滤膜过滤25 mL）至50 mL比色管，用纳氏试剂分光光度法测定滤液中的氨氮浓度，分别计算氨氮吸附量和去除率。

（1）不同生物炭添加量。

准确称取0.20、0.40、0.60、0.80、1.00 g芦苇生物炭置于50  mL离心管中，加入40 mL浓度为50 mg/L的NH4+-N溶液，放入恒温振荡器中，室温条件下振荡24 h后取出，计算吸附量和去除率，每个样品设3个平行样。

（2）不同pH。

配制浓度为50 mg/L的氨氮溶液，用盐酸和氢氧化钠调节其pH分别为3、4、5、6、7、8、9、10和11。称取一定质量芦苇生物炭于50 mL离心管中，加入40 mL不同初始pH的NH4+-N溶液，恒温振荡24 h后取出，计算吸附量和去除率，每个样品设3个平行样。

（3）吸附动力学。

50 mL离心管中加入一定质量芦苇生物炭和40  mL浓度为50 mg/L的氨氮溶液，室温下振荡0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、12.0、16.0、24.0 h后取出，测定NH4+-N浓度并计算吸附量和去除率，每个样品设3个平行样。

（4）吸附等温线。

50  mL离心管中加入一定质量芦苇生物炭和浓度分别为10、20、30、40、50、60、70、80 mg/L的NH4+-N 溶液40  mL，分别在15、25和35 ℃下恒温振荡24 h后取出，测定NH4+-N浓度并计算吸附量和去除率，每个样品设3个平行样。

1.2.3 模型拟合。

1.2.3.1 吸附动力学模型。

吸附动力学主要用于描述吸附剂吸附溶质的速率［11］。该试验分别用准一级动力学模型和准二级动力学模型拟合数据，分析BC吸附NH4+-N的时间与吸附量之间的关系，探究BC对NH4+-N的吸附机理。其方程式分别如下：

准一级方程：

Qt=Qe（1-exp-K1t）（1）

准二级方程：

t/Qt=1/（K2Qe2）+t/Qe（2）

式中：Qt为t时刻的吸附量（mg/g）；t为时间（min）；Qe为平衡时的吸附量（mg/g）；K1为动力学一级反应速率常数（min-1）；K2为动力学二级反应速率常数［g/（mg·min）］。

在吸附动力学数据拟合过程中，采用决定系数（R2）和卡方检验值（ε2）综合评价模型的适用性。R2越大，ε2越小，模型的拟合效果越好。

1.2.3.2 吸附等温线。

吸附容量与溶液浓度之间的关系常用吸附等温线来描述。该研究分别用Langmuir、Freundlich模型对试验数据进行非线性拟合，表述BC吸附NH4+-N的过程与机理。Langmuir模型是指单分子层吸附理论，即吸附过程在均匀的表面单分子层上进行，吸附平衡是动态平衡；Freundlich吸附模型是发生于表面不均匀的多分子层上，吸附量与溶液浓度呈正相关增加［12］。

Langmuir方程：

Qe=Qmaxρe/（Kl+ρe）（3）

Freundlich方程：

Qe=Kfρe1/n（4）

式中：Qe为平衡时吸附量（mg/g）；Qmax为吸附剂的最大吸附量（mg/g）；ρe为吸附平衡时NH4+-N的质量浓度（mg/L）；Kl为Langmuir常数（L/mg），与吸附强度有关；Kf为Freundlich常数，用于表征吸附剂的吸附能力；n为另一Freundlich常数，用于表示吸附强度。