不同湿地植物 及其衍生生物炭对铵和镉吸附的能力和机制外文翻译资料

不同湿地植物

及其衍生生物炭对铵和镉吸附的能力和机制

原文作者：Xiaoqiang Cui，HuLin Hao，ChangKuan Zhang，ZhenLi He，Xiaoe Yang

单位：

1. 教育部重点实验室的环境修复和生态健康，环境和资源科学学院，浙江大学，中国杭州310058

B.宁波原水资源研究院，中国宁波

C.印度的河流研究和教育中心，食品和农业科学研究所，佛罗里达皮尔斯堡，美国34945

摘要

本研究的目的是探讨产自不同湿地植物的生物炭对NH⁴ 和Cd² 吸附和物理化学之间的关系。六种湿地植物生物炭（芦苇、香根草、茭草、美人蕉、象草和再力花）在500℃，确定其吸附的铵和镉离子的特征。来源于不同湿地植物的生物炭的元素组成、官能团和比表面积有着显著差异。生物炭铵和镉离子的吸附可以描述为一个二阶动力学模型，简单的朗缪尔模型等温线数据比弗伦德里希或Temkin模型更适合。美人蕉衍生生物炭对NH⁴ 和Cd² 最大的吸附分别是13.35和125.8mg/g，象草的衍生生物炭对Cd² 的吸附是119.3mg/g，对NH⁴ 的吸附主要由阳离子交换、表面络合和含氧官能团磷酸镁铵化合物的形成，而对于Cd² 的吸附镉磷酸盐沉淀形成，阳离子交换和主要绑定的含氧官能团可能是是主要的机制。此外，铵和镉的吸附是不受面积和生物炭的微孔率的影响

关键词：生物炭、湿地植物、污染物、吸附特性、机制。

1.前言

在现代社会随着经济的快速发展，水资源越来越少。水体的富营养化和重金属的污染对全球的水资源造成很大的威胁。导致土壤和水污染最严重的有毒重金属是Cd² 。其高流动性和持久性是NH⁴ ,水体富营养化中最常见的是氨。(Conley et al.,2009;Mohan et al., 2007)。因此，去除这些水中的污染物是为了保护水资源和维护生态环境安全。一些技术已经应用于去除这些在水中的污染物解决方案，如化学沉淀、离子交换、膜分离和吸附。(Jorgensen and Weatherley, 2003; Sud et al., 2008; Zhang et al., 2009)。相比之下，吸附法修复受污染的水被认为是最具有成本效益的方法，因为它的低成本、效率高和不污染环境(Chen et al., 2011b;Sun et al., 2011)。在这种方法中，足够的吸着剂是决定了效率的主要原因，并研究了几个吸着剂对水中污染物的去除效率，包括活性炭、有机物质、微生物生物量、农业废料和碳纳米管(Ji et al., 2010; Kumar et al.,2014; Sud et al., 2008)。然而，所有的材料都有各自的缺点，局限性、高成本、低效率或者处理限制。

生物炭，固体材料获得的生物质热化学转换一个氧限制环境(IBI, 2012)，应该申请土壤改良，废物管理，减缓气候变化和能源生产(Bell and Worrall, 2011; Lehmann,2007)。近年来，生物炭已被证明是一个绿色对水环境无污染的吸附剂。 (Ahmad et al., 2014; Cao et al.,2011)。生物炭来源于木材和树皮,因此不同材料对Cd² 的吸附差别很大。它有一个小的吸附能力（0.34-5.4.mg/g) (Mohan et al., 2007)和一个最大的吸附能力，牛粪生物炭对Cd² 的吸附较大（51.4mg/g）(Xu et al., 2013)，各种农作物秸秆生物炭对Cd² 的吸附更大（57.7-96.4mg/g）在水溶液中。根据文献，生物炭对Cd² 的吸附能力逐渐减少的作物秸秆gt;牛粪gt;树皮gt;太阳(Ahmad et al., 2014; Friscaron;taacute;k et al., 2015; Mohan et al., 2007;Sun et al., 2014; Xu et al., 2013)。显然，生物炭原料的选择是至关重要的，它决定了合成生物炭的吸附容量和性能。废弃物生物质已被公认为最好的原料是由于其广泛的可用性和低成本。(Ahmad et al., 2014)。

湿地植物广泛生长在人工浮岛和人工湿地净水。(Cheesman et al.,2010; Huett et al., 2005; Sun et al., 2009)。以前的研究报告的湿地植物种类数量已经应用到使用人工湿地植物修复富营养化的水，包括芒花草、香根草、菖蒲和再力花(Zhao et al., 2012a; Zhao et al., 2012b)。然而，植物必须获得适当地生物量为了维持养分去除湿地自分解植物窝/生物量可能返回的所有营养的效率。因此，处理大量的植物已经成为一个挑战。广泛的研究已经进行了评估生物炭来源于传统的生物质材料，如玉米秸秆、竹子和杨木对他们的应用程序在水和土壤改良剂修复(Chen et al., 2011b; Xuet al., 2012; Zhang and Gao, 2013)，但更集中在生物炭从湿地植物原料作为吸附剂，特别是他们申请对水的修复。

在这个研究中，以水为吸收剂，生物炭得到从六个湿地植物物种通过慢速热解在500℃。这个温度是基于以前的研究(Lehmann, 2007;Ahmad et al., 2014; Zeng et al., 2013)，生物炭的生产有一个更大的吸附污染物的能力，能更好的平衡之间的产量和能源成本。样品在吸附之前和之后使用傅里叶变换红外特征光谱，元素分析，BET-N2表面积和扫描电子色散光谱仪。吸附动力学和等温线铵（代表金属）和镉（代表重金属）通过生物炭对NH⁴ 和Cd² 的测定评估其在水溶液中的能力和机制。现在的目标是（1）描述生物炭的理化性质;（2）确定生物炭对一些常见污染物的吸附能力;（3）理解生物炭去除水中的污染物的机制。

1. 材料与方法

2.1材料

从中国浙江临安人工湿地获得六种湿地植物，芦苇、香根草、茭草、美人蕉、象草和再力花。材料是用水清洗和风干后一个星期，然后使用不锈钢研磨机过2.0mm粒子（Retsch MM400 德国）。将生物质粉紧密地放置在一个陶瓷锅，然后放在马弗炉内于500℃，5℃/分钟下上升，进行2小时的热解，冷至室温再拿出。生物炭即固体从热解残留物，所有的生物炭样本通过0.5mm筛后再使用。

2.2描述

用分析仪对C、H、N进行元素分析。氧含量是由质量平衡。H/C和（O N）/C原子比率分别计算评价生物炭的芳香性和极性。用扫描电子显微镜进行成像分析，使用扫描显微镜比较生物炭的结构和表面特性。在相同的表面位置，表面元素分析和扫描电子显微镜同时进行利用能量色散和X射线能谱法。傅里叶变换红外分析在400-4000cm^-1下分辨率扫描被识别表面官能团。生物炭的比表面积和孔隙率是衡量N₂吸附等温曲线和二氧化碳在273K等温线使用表面积分析仪。电动电位测量进行了在不同PH值和一个潜在的分析仪。灰分含量是衡量吸附实验生物炭样品在750℃加热5h。生物炭的PH值是生物炭的质量与去离子水的比例为1:20(Inyang et al., 2012)。阳离子交换量（CEC）的生物炭测定醋酸铵和氯化钾的代替方法(Hale et al., 2011)。

2.3吸附实验

铵是由溶解氯化铵去离子的，镉是由溶解硝酸镉去离子的，0.01mol/LNaNo₃作为背景电解质溶液。吸附动力学评估在室温（25℃）和初始PH值在每个吸附实验之前都要将其调整为7。吸着剂（0.2g）加入50ml其含有50mg/L的N以NH₄-N的形式。0.05g的吸附剂加入50ml其包含50mg/lCd² 和Cd(NO₃)₂。次级样本在指定时间间隔后于180rpm机械振动器中动摇。吸附等温线的铵或镉测定实验按以下相同的条件：NH₄-N和Cd² 从0到100mg/l依次放入处理后的锥形瓶中。在振荡器动摇24h小时后，最后的悬浮液由离心、过滤、分离后得到。分析Cd² /NH₄-N生物炭，准备FTIR,SEM和EDX分析。铵的浓度和镉溶液中样品分别使用离子色谱法和原子吸收分光光度计进行了分析，对Cd² 或NH₄-N的数量与它们的去除率进行计算基于它们的初始浓度差异和平衡得出解决方案。吸附的生物炭Qt（mg/L)得到如下

C₀和C_t表示NH⁴ /Cd² 的初始浓度和时间t（mg/l）

V表示水的体积（ml）

M是生物炭的重量（g）

2.4吸附模型

2.4.1动力学模型

为了研究吸附机制的动力学的过程，Cd² 或NH₄-N吸附生物炭是使用一阶动力学模型。描述一个为二阶动力学模型和一个颗粒内扩散型介绍如下：

K₁为一阶吸附的速率常数（h^-1) K₂为二阶速率常数（g mg^-1 h^-1)

Ki是颗粒内的扩散系数（0.5mg g^-1 h^-0.5)

2.4.2热力学模型

简单的朗缪尔，弗伦德里希。Temkin模型应用来描述吸附特征。一个简单地朗缪尔等温线假定单层吸附到一个统一的吸附剂表面包含有限数量的吸附。简单的朗缪尔等温线方程给出

Ce是平衡浓度（mg/L) Qm是最大吸附能力（mg/L)

R_L是朗缪尔等温线的特点可以表示为一个分离系数的无因次常数(Liu et al., 2010)

在k_l朗缪尔常数和C₀的初始浓度（mg/L)

R_L的值显示等温线的类型，线性、有利或不可逆。

弗伦德里希等温线描述了异构表面能量多层吸附和表达

K_F是实验能力系数 N是实验派生指数

吸着剂的异质性值的范围在0.1lt;Nlt;1之间，吸附是有利的。(Raji and Anirudhan, 1998)

Temkin等温线是基于离子的吸附热认为是吸着物相互之间作用的影响，给出的以下的方程

B是Temkin一个常数（g^-1) R是气体常数（8.31J/mol k) T是绝对温度（K）

2.5统计分析

吸附等温线和动力学的实验被执行一式三份，标准差是通过描述性统计。通过与皮尔逊相关性分析测试得到Plt;0.01或0.05。动力学和吸附等温线安装使用起源Pro8.0，R²值被用来比较不同模型的性能。

1. 结果与讨论

3.1生物炭的特点

3.1.1基本属性

所有生物炭来源于基本的理化性质，表1中给出了不同湿地植物。在同一温度下，生物炭产量随不同种类的植物，如玉米秸秆、棉籽壳和玉米棒在32.78%到39.58%的范围内，高于原料的作物残留物。(Mullen et al., 2010; Uchimiya et al., 2011)。同样，生物炭中的矿物元素即植物生物质热解期间可以保存大量的矿物质有较高含量的灰烬。不同的生物炭阳离子交换量（CEC）值的范围（7.41-39.51cmol/kg），与先前的报道一样，大多数生物炭的PH值在10左右(Xu et al., 2013;Zheng et al., 2013)。生物炭的观察到原子比例也不同于原料植物，在41.27%-75.10%的范围，分别为10.58-27.23%和1.24-27.23%。PP H/C比值最高（0.539）表明较低。芳香结构和更多的原始有机碳被保存下来。因此，它可能有更多的无机污染物吸附。(Ahmad et al., 2014; Chen et al., 2011a; Chen et al., 2011b)。如图所示，表1中，molO/C比CIB显然更高，相比其他生物炭，这表明更多的表面含氧官能团是保存和保持亲水性。极性的亲水属性有利于吸附极性溶于水的污染物如Cd² 和NH₄-N。

3.1.2官能团分析

根据标准参考书和先前的研究，大量的官能团的表面上显示生物炭，这可能有利于吸附（图1）。所有的生物炭在红外光谱类似的模式，这可能是由于使用统一的热解温度(Chen et al., 2008)，波段在33288cm^-1lt;

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