TiO2/生物炭復(fù)合材料處理低濃度氨氮廢水

張夢(mèng)媚, 何世穎, 唐婉瑩, 馮彥房, 楊林章

1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 江蘇 南京 210014 2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094

TiO2/生物炭復(fù)合材料處理低濃度氨氮廢水

張夢(mèng)媚1,2, 何世穎1*, 唐婉瑩2, 馮彥房1, 楊林章1

1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 江蘇 南京 210014 2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 江蘇 南京 210094

為研究功能復(fù)合材料對(duì)低濃度氨氮〔ρ(NH4+-N)≤50 mg/L〕廢水的處理效果，采用水熱法制備TiO2/生物炭復(fù)合材料，并在自制光催化反應(yīng)裝置中對(duì)低濃度氨氮廢水進(jìn)行處理，考察TiO2負(fù)載量、溫度、pH等因素對(duì)NH4+-N去除過程的影響以及催化的最終降解產(chǎn)物. 結(jié)果表明，TiO2/生物炭復(fù)合材料能有效催化去除廢水中的NH4+-N，其優(yōu)化處理?xiàng)l件：ρ(NH4+-N)為50 mg/L，TiO2/生物炭復(fù)合材料投加量為1.5 g/L，254 nm紫外燈照射120 min，TiO2負(fù)載量為20%，廢水初始pH為11.0，曝氣量為150 mL/min. 在優(yōu)化處理?xiàng)l件下，當(dāng)溫度為60 ℃時(shí)NH4+-N去除率可達(dá)100%，常溫(30 ℃)下可達(dá)67%. 反應(yīng)最終產(chǎn)物中ρ(NO2--N)非常低，并且無NO3--N生成. 研究顯示，TiO2/生物炭復(fù)合材料具有將NH4+-N轉(zhuǎn)化為N2的良好光催化氧化選擇性.

TiO2; 生物炭; 低濃度氨氮廢水

氨氮(NH4+-N)是造成水體富營養(yǎng)化的重要因子之一. 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，大量含氨氮的廢水排入水體，容易引起水體富營養(yǎng)化的大面積爆發(fā). 水體的富營養(yǎng)化不僅使水質(zhì)嚴(yán)重惡化，水味變得腥臭難聞，水體透明度降低[1]，同時(shí)還導(dǎo)致藻類大量繁殖，過量消耗水體中的氧含量，致使水體環(huán)境嚴(yán)重缺氧，滋生有害生物使魚類中毒. 有毒的魚類進(jìn)入食物鏈，從而危害人類健康[2]，氨氮廢水的處理已經(jīng)引起廣泛關(guān)注. 氨氮廢水的排放有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，如江蘇省在太湖地區(qū)污水處理廠ρ(NH4+-N)排放限值執(zhí)行5 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn). 因此有必要研究經(jīng)濟(jì)高效的去除方法.

工業(yè)高濃度氨氮廢水可以通過吹脫法等轉(zhuǎn)化為低濃度氨氮廢水[3]，而要達(dá)到污水氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)，低濃度氨氮廢水的治理是關(guān)鍵，ρ(NH4+-N)≤50 mg/L的廢水稱為低濃度氨氮廢水，除了工業(yè)處理后未達(dá)標(biāo)的污水，生活污水、農(nóng)田徑流等都會(huì)帶來低濃度氨氮廢水. 目前對(duì)低濃度氨氮廢水的處理方法主要有化學(xué)沉淀法、吹脫法、吸附法、生物脫氮法以及光催化法等[4- 6].

其中光催化氧化技術(shù)是一種綠色、高效、低能耗的水處理技術(shù)，對(duì)處理低濃度氨氮廢水具有十分重要的意義. TiO2光催化技術(shù)作為一種新的水處理方法，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無毒，可以無選擇性地將大多數(shù)污染物光催化降解為無毒的無機(jī)小分子，因此，被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的光催化劑. 張夢(mèng)媚等[7]考察了TiO2對(duì)低濃度氨氮廢水的降解能力，明確了其是一種良好的光催化劑. 但TiO2光催化去除水中NH4+-N也存在一些問題：由于TiO2顆粒極其細(xì)小，在水中容易發(fā)生團(tuán)聚，分散性差，導(dǎo)致其對(duì)光的利用率低. 此外，TiO2粉狀催化劑回收非常困難[8]. 因此，常采用改性、負(fù)載或摻雜等方式提高TiO2的光催化性能. 其中，負(fù)載主要是將TiO2通過化學(xué)或者物理方法負(fù)載在具有吸附性能的多孔材料上，如活性炭、硅藻土、分子篩等.

近年來，生物炭因其原材料來源廣泛，制作工藝簡單，吸附性能優(yōu)異而引起廣泛關(guān)注. 生物炭是在絕氧條件下，將農(nóng)業(yè)廢棄物(如豬糞、秸稈、木屑)或動(dòng)物組織高溫?zé)崃呀庵频肹9]. 因生物炭疏松多孔、比表面積大，并且表面包含羧基、酚羥基等多種官能團(tuán)而具有優(yōu)良的吸附能力，可以吸附多種無機(jī)或有機(jī)污染物[10- 12]. FANG等[13- 15]對(duì)生物炭的性質(zhì)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過特殊處理，生物炭表面可產(chǎn)生羥基自由基及一些含氧基團(tuán). 目前，也有研究證明將生物炭與其他物質(zhì)復(fù)合制得的新型功能材料對(duì)污染物有更好的去除效果[16- 18]. 因此，生物炭與TiO2聯(lián)用，作為可能提高污水處理效果的功能材料具有很高的研究價(jià)值，而相關(guān)研究目前鮮見報(bào)道.

該文將TiO2通過簡單的水熱法負(fù)載在生物炭上，制備出TiO2/生物炭復(fù)合材料，研究了TiO2/生物炭復(fù)合材料對(duì)低濃度氨氮廢水的處理性能，并探討了復(fù)合材料對(duì)NH4+-N的去除機(jī)制，以期為TiO2/生物炭復(fù)合材料的開發(fā)利用提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1試劑與儀器

硫酸鈦〔Ti(SO4)2〕，化學(xué)純，上海國藥集團(tuán)；PVP(聚乙烯吡咯烷酮)，分子式為(C6H9NO)n，aladdin；生物炭為玉米秸稈在500 ℃下絕氧熱裂解制得；尿素(H2NCONH2)、無水乙醇(C2H5OH)、NH4Cl、NaOH及HCl均為分析純，購自南京化學(xué)試劑有限公司；配制溶液及清洗用水均采用實(shí)驗(yàn)室純水機(jī)制出的去離子水.

85- 2型恒溫加熱磁力攪拌器(上海司樂儀器有限公司)，100 mL水熱反應(yīng)釜(上海予申儀器有限公司)，Eppendorf 5810R離心機(jī)(德國艾本德股份公司)，電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(力辰科技)，PHS- 3C型pH計(jì)(上海雷磁)，數(shù)顯恒溫水浴鍋，空氣泵，30 W紫外燈(主波長254 nm，飛利浦燈具)，UV- 3200型紫外可見分光光度計(jì).

1.2TiO2/生物炭的制備

生物炭的預(yù)處理：將生物炭過80目(0.178 mm)篩，用1 mol/L的HCl酸洗數(shù)次后，用去離子水清洗至中性，最后于80 ℃烘箱中烘干備用.

TiO2/生物炭的制備步驟：①準(zhǔn)確稱取3.0 g硫酸鈦溶于100 mL水中，恒溫(25 ℃)強(qiáng)力攪拌至完全溶解，配制成0.125 mol/L的硫酸鈦溶液. ②加入1.5 g尿素，完全溶解后攪拌30 min. ③向混合溶液中加入0.5 g PVP，繼續(xù)強(qiáng)力攪拌. ④1 h后取適量預(yù)處理過的生物炭加入混合溶液中，繼續(xù)強(qiáng)力攪拌1 h. ⑤將混合溶液置于100 mL水熱反應(yīng)釜中(填充度≤80%)，于180 ℃恒溫干燥箱中保溫10 h，自然冷卻至室溫. ⑥將復(fù)合材料分別用無水乙醇和去離子水清洗至中性，紅外燈烤干研磨即可得TiO2/生物炭.

在制備TiO2/生物炭過程中分別加入不同質(zhì)量的生物炭，即改變TiO2與生物炭的配比，制出不同TiO2負(fù)載量的TiO2/生物炭復(fù)合材料. 其中，TiO2負(fù)載量采用紫外分光光度法[19]測(cè)定. TiO2負(fù)載量分別為0.5%、1.0%、5.0%、20.0%及50.0%.

1.3NH4+-N去除試驗(yàn)

以分析純NH4Cl配制成ρ(NH4+-N)為50 mg/L的水樣，不添加任何酸堿. 取100 mL水樣加入石英管中，并在每根石英管中加1.5 g TiO2/生物炭，超聲分散20 min后，將石英管并排平行置于恒溫水浴鍋中，先在黑暗處暗吸附30 min，然后距離石英管5 cm處放置30 W紫外燈，平行照射石英管，同時(shí)向水樣中通入流量為150 mL/min的空氣，使TiO2/生物炭與水溶液充分接觸，并保證溶液中具有充足的DO. 溶液的pH通過1 mol/L的HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié). 考察TiO2負(fù)載量、溫度、pH等因素對(duì)NH4+-N的去除效果并確定反應(yīng)最優(yōu)條件. 每隔30 min取10 mL水樣，離心后用孔徑為0.45 μm的水系濾頭過濾，測(cè)定濾液中的ρ(NH4+-N)，計(jì)算η(NH4+-N去除率)：

η=(c0-ct)/c0×100%

式中：c0為水中初始ρ(NH4+-N)，mg/L；ct為反應(yīng)時(shí)間為t(min)時(shí)水中的ρ(NH4+-N)，mg/L.

1.4分析方法

樣品的紫外吸收情況由美國賽默飛世爾公司的Evolution 220紫外分光光度計(jì)在波長(λ)為200～800 nm范圍內(nèi)掃描得出. 利用美國賽默飛世爾公司的傅里葉紅外分光光度計(jì)對(duì)樣品的化學(xué)鍵組成進(jìn)行FTIR(傅里葉紅外)分析. 樣品中TiO2的負(fù)載情況以及載體中TiO2顆粒的形貌和粒徑利用德國蔡司公司的EVO-LS10型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察. 利用德國Bruker公司的D8 ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)TiO2/生物炭進(jìn)行XRD(X射線衍射)譜分析，晶粒尺寸根據(jù)XRD測(cè)試結(jié)果由Scherrer公式計(jì)算得出. 水中ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；ρ(NO3--N) 采用紫外分光光度法測(cè)定；ρ(NO2--N)采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1TiO2/生物炭的表征

2.1.1全波長(UV-Vis)掃描

圖1 TiO2/生物炭全波長(UV-Vis)掃描圖Fig.1 UV-Vis spectra of TiO2/biochar

由圖1可明顯看出，TiO2/生物炭在紫外區(qū)域(λ=250～310 nm)有明顯的吸收峰，其中最強(qiáng)吸收峰出現(xiàn)在287 nm處，說明材料在紫外光區(qū)具有催化能力.2.1.2FTIR測(cè)試

TiO2/生物炭的FTIR圖譜如圖2所示. 由圖2可見，主要吸收峰出現(xiàn)在 3 000、1 600 以及500～1 100 cm-1處. 其中 3 000 及 1 600 cm-1處分別為—OH鍵的伸縮振動(dòng)和變形振動(dòng)，510 cm-1處為Ti—O鍵的伸縮振動(dòng)，而 1 040 cm-1處的吸收峰則說明了Ti—O—C鍵的存在，Ti—O—C鍵的形成是由于生物炭與Ti—O鍵之間存在輕微的共軛效應(yīng)，即在生物炭與TiO2的接觸界面處有Ti—O—C鍵的生成[20]. 說明水熱法制備的TiO2/生物炭中TiO2以化學(xué)鍵結(jié)合的方式負(fù)載在生物炭上，這種負(fù)載方式比較牢固，不易脫落.

圖2 TiO2/生物炭FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra of TiO2/biochar

2.1.3SEM測(cè)試

圖3中各小圖分別為生物炭和TiO2/生物炭的SEM譜圖. 其中，圖3(a)(b)為生物炭的SEM圖，圖3(c)(d)為TiO2/生物炭的SEM圖. 通過對(duì)比未負(fù)載前的生物炭及負(fù)載后的TiO2/生物炭可看出，TiO2主要呈球形，粒徑在200～300 nm，附著在生物炭的表面及孔道里，分布比較均勻，但也有一定程度團(tuán)聚.

圖3 TiO2/生物炭SEM圖Fig.3 SEM images of TiO2/biochar

2.1.4XRD測(cè)試

由圖4可見，XRD譜圖中各衍射峰的晶面指數(shù)分別為(101)(004)(200)(105)(211)(204)，均為銳鈦礦TiO2的特征衍射峰，說明生物炭上負(fù)載的TiO2為銳鈦礦型. TiO2/生物炭的平均粒徑根據(jù)XRD譜圖中最強(qiáng)衍射峰(101)晶面的半高寬利用Scherrer公式計(jì)算：

D=Kλ/βcosθ

圖4 TiO2/生物炭XRD譜圖Fig.4 XRD spectra of TiO2/biochar

式中：D為催化劑粒徑，nm；λ為X射線的波長，0.154 18 nm；K為Scherrer常數(shù)，取0.89；β為衍射峰半高寬(單位弧度)，θ為衍射角. 計(jì)算得出TiO2/生物炭的平均粒徑為9.72 nm. 由Scherrer公式計(jì)算出的為TiO2顆粒的平均粒徑，實(shí)際樣品中會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，團(tuán)聚成的微球粒徑范圍在14～300 nm，這與LIU等[21]的研究結(jié)果類似，與實(shí)際TiO2/生物炭樣品的SEM表征結(jié)果相符.

2.2TiO2/生物炭對(duì)低濃度氨氮廢水的降解

2.2.1TiO2負(fù)載量的影響

向水樣中分別加入五種TiO2負(fù)載量的TiO2/生物炭，添加量為1.5 g/L，水樣初始pH為11.0，初始ρ(NH4+-N) 為50 mg/L，曝氣量為150 mL/min，30 W紫外燈光照120 min. 每隔30 min取樣一次，離心過濾后測(cè)試水樣中的ρ(NH4+-N)，結(jié)果見圖5.

TiO2負(fù)載量/%:1—0.5;2—2.0;3—5.0;4—20.0;5—50.0;對(duì)照—0.圖5 TiO2負(fù)載量對(duì)氨氮去除效果的影響Fig.5 Effect of TiO2:biochar ratio on the NH4+-N removal performances

由圖5可見，TiO2負(fù)載量為0%(即純生物炭)時(shí)，水中ρ(NH4+-N)在暗反應(yīng)30 min后基本不再變化，說明該反應(yīng)在暗吸附30 min后已經(jīng)達(dá)到吸附平衡. 當(dāng)TiO2負(fù)載量為20%時(shí)，NH4+-N去除效果最佳，去除率為73%. TiO2/生物炭對(duì)NH4+-N的去除是生物炭的吸附與TiO2的光催化協(xié)同作用的結(jié)果. 在暗吸附的30 min內(nèi)，TiO2/生物炭對(duì)NH4+-N的去除主要是依靠生物炭的吸附能力. TiO2負(fù)載量多的復(fù)合材料中生物炭的含量少，因此TiO2/生物炭吸附能力比較低[22]. 開啟紫外燈光照以后，光催化作用占主導(dǎo)地位，隨著TiO2負(fù)載量的增多，氨氮去除率明顯增加[23]. 然而，當(dāng)TiO2負(fù)載量過大時(shí)，生物炭的一些孔道被TiO2附著堵塞，使氨氮不易擴(kuò)散到生物炭的內(nèi)表面，阻礙了生物炭吸附的NH4+-N向TiO2表面遷移；另外，過多的TiO2容易造成粒子團(tuán)聚堆積，使得TiO2的催化活性位點(diǎn)減少，影響光催化效果；同時(shí)，過多的TiO2會(huì)對(duì)紫外光產(chǎn)生屏蔽作用，使得光的利用率減少，導(dǎo)致光催化效果變差[24].

2.2.2溫度的影響

溫度對(duì)水中NH4+-N去除的影響較大，為了探究溫度對(duì)NH4+-N去除的影響，改變反應(yīng)的溫度分別為20、30、40、50、60 ℃，在初始ρ(NH4+-N)為50 mg/L的水樣中，加入1.5 g/L負(fù)載量為20%的TiO2/生物炭，初始pH為11.0，曝氣量為150 mL/min，30 W紫外燈光照120 min. 每隔30 min取樣一次，離心過濾后測(cè)試水樣中的ρ(NH4+-N)，結(jié)果見圖6.

反應(yīng)溫度/℃:1—20;2—30;3—40;4—50;5—60.圖6 溫度對(duì)氨氮去除效果的影響Fig.6 Effect of temperature on the NH4+-N removal performances

圖6可見，NH4+-N去除率隨著反應(yīng)溫度的升高而升高，30 ℃時(shí)為67%，而60 ℃時(shí)為100%. 究其原因：①TiO2/生物炭的吸附反應(yīng)為自發(fā)反應(yīng)，隨著溫度的升高利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行，吸附能力提高[25]；②反應(yīng)溫度會(huì)影響體系中的反應(yīng)速率常數(shù)，由阿倫尼烏斯公式〔k=Aexp[-Ea/RT]，其中k為速率常數(shù)；R為摩爾氣體常量，為8.314 J/(mol·K)；T為熱力學(xué)溫度，K；Ea為表觀活化能，J/mol；A為指前因子〕可知，隨著反應(yīng)溫度的升高，反應(yīng)速率常數(shù)(k)也隨之增大，而反應(yīng)速率常數(shù)決定了光催化降解的速率. 因此，反應(yīng)溫度升高，吸附能力增強(qiáng)，反應(yīng)速率常數(shù)增大，光催化反應(yīng)速率提高，NH4+-N去除率提高. 同時(shí)，溫度升高，也會(huì)有一部分NH4+-N以NH3·H2O分子的形式被吹脫出來[26]. 因此，考慮高溫情況下的揮發(fā)以及實(shí)際應(yīng)用的問題，選取30 ℃作為統(tǒng)一的反應(yīng)條件.

2.2.3pH的影響

pH對(duì)NH4+-N去除的影響也較大，這是由于pH不僅會(huì)影響氨氮在水中的存在形式，也會(huì)影響TiO2/生物炭的表面帶電荷. 為了探究pH對(duì)TiO2/生物炭去除氨氮的影響，將初始pH分別設(shè)為3.0、5.0、7.0、9.0、11.0，在初始ρ(NH4+-N)為50 mg/L的水樣中，加入1.5 g/L負(fù)載量為20%的TiO2/生物炭，反應(yīng)溫度為30 ℃，曝氣量為150 mL/min，30 W紫外燈光照120 min. 每隔30 min取樣一次，離心過濾后測(cè)試水樣中ρ(NH4+-N)，結(jié)果見圖7.

pH:1—3;2—5;3—7;4—9;5—11.圖7 pH對(duì)氨氮去除效果的影響Fig.7 Effect of pH on the NH4+-N removal performances

2.2.4不同初始ρ(NH4+-N)的去除情況及最終產(chǎn)物

添加1.5 g/L負(fù)載量為20%的TiO2/生物炭，初始pH為11.0，反應(yīng)溫度為30 ℃，曝氣量為150 mL/L，30 W主波長為254 nm的紫外燈光照120 min，對(duì)ρ(NH4+-N) 分別為5、10、20、30、40、50 mg/L的水樣進(jìn)行光催化，結(jié)果見圖8、9.

圖8 不同初始ρ(NH4+-N)水樣的NH4+-N去除率Fig.8 Removal efficiency of NH4+-N at different NH4+-N original concentration

注：ρ(NO3--N)均為0.圖9 不同初始ρ(NH4+-N)條件下處理所產(chǎn)生的ρ(NO3--N)、ρ(NO2--N)Fig.9 The concentration of NO3--N and NO2--N produced at different NH4+-N concentration

由圖8可見，TiO2/生物炭對(duì)50 mg/L以下的NH4+-N均有較好的去除效果，并且去除率非常穩(wěn)定. 初始ρ(NH4+-N)為5 mg/L的NH4+-N去除率為73%，初始ρ(NH4+-N)為10 mg/L時(shí)則為83%. 當(dāng)初始ρ(NH4+-N)較低時(shí)，TiO2/生物炭中的生物炭吸附氨氮至TiO2附近，TiO2接受紫外光照產(chǎn)生·OH，從而使光催化反應(yīng)效率提高[31].

2.2.5成本討論

該試驗(yàn)中復(fù)合材料的載體生物炭制作流程簡單，原材料來源廣泛，如瓜子皮、花生殼、樹葉等都可以作為生物炭的原材料. 此前已做過單獨(dú)TiO2及生物炭處理低濃度氨氮廢水的試驗(yàn)，三種材料對(duì)處理ρ(NH4+-N) 為50 mg/L的水樣，NH4+-N去除率分別為58%(TiO2)、37%(生物炭)、73%(TiO2/生物炭)，去除1 g NH4+-N各材料的需要量分別為51.4 g(TiO2)、81.0 g(生物炭)、41.0 g(TiO2/生物炭). 由此可以看出，復(fù)合材料TiO2/生物炭處理效果更好且更加經(jīng)濟(jì).

3 結(jié)論

a) 采用水熱法成功制備出TiO2生物炭復(fù)合材料. TiO2呈球形均勻附著在生物炭的表面及孔道里，粒徑范圍為200～300 nm，團(tuán)聚程度低，分散度好，在紫外區(qū)域有明顯吸收. TiO2與生物炭之間以Ti—O—C 化學(xué)鍵的形式結(jié)合，負(fù)載比較牢固，不容易脫落.

b) 使用TiO2生物炭處理初始ρ(NH4+-N)為50 mgL 的水樣，在254 nm的紫外燈照射下，當(dāng)TiO2負(fù)載量為20%，催化劑用量為1.5 gL，水樣初始pH為11.0，曝氣量為150 mLmin，溫度為60 ℃，光照為120 min時(shí)，NH4+-N去除率可達(dá)100%，常溫下達(dá)到70%以上.

c) TiO2生物炭對(duì)低濃度氨氮廢水均具有較好的處理效果，產(chǎn)物中基本為N2，僅生成極少量的NO2--N，說明該復(fù)合材料是一種良好的NH4+-N去除劑.

d) 考慮該復(fù)合材料未來的實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)消耗，計(jì)算試驗(yàn)成本后得出，去除1 g NH4+-N需要復(fù)合材料約41.0 g，與單獨(dú)TiO2、生物炭相比效果更好，并且更加經(jīng)濟(jì).

e) 該研究中制備的TiO2生物炭處理NH4+-N效果顯著，由于生物炭質(zhì)地較輕，負(fù)載后的TiO2生物炭解決了TiO2在水中容易團(tuán)聚、分散性不好的缺點(diǎn)，使TiO2的光催化效率提高.

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Disposal of Low Concentration Ammonia-Nitrogen Wastewater Using TiO2/Biochar Composite

ZHANG Mengmei1,2, HE Shiying1*, TANG Wanying2, FENG Yanfang1, YANG Linzhang1

1.Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China 2.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

In order to investigate the disposal of low concentration ammonia-nitrogen wastewater (concentration less than or equal to 50 mg/L) using a functional composite, a new photocatalyst, TiO2/biochar composite, was prepared by immobilizing TiO2nanoparticles onto biochar synthesized by the hydrothermal method. The properties of the as-prepared TiO2/biochar were further characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy. The photocatalytic degradation of ammonia-nitrogen from water was evaluated along the gradients of load ratio, pH, temperature and initial concentrations of ammonia-nitrogen. The results showed that TiO2nanoparticles were well dispersed on the biochar, which prevented the agglomeration of TiO2and enhanced the instability. The highest ammonia-nitrogen removal efficiency (100% at 60 ℃ and over 70% at 30 ℃)was observed at the conditions of 20% TiO2loading, 150 mL/min aeration rate, pH 11.0, and under 254 nm UV light irradiation. The final product contained little nitrite and exclusive nitrate, indicating the excellent catalytic selectivity of TiO2/biochar composite, which can oxide ammonia-nitrogen to N2. In conclusion, TiO2/biochar composite is anenvironmentally-friendly and highly efficient photocatalyst complex for the removal of ammonia-nitrogen at low concentrations.

TiO2; biochar; low concentration of ammonia-nitrogen wastewater

2016-06-22

：2017-05-19

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目〔CX(14)2050〕；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301267，41401345)

張夢(mèng)媚(1990-)，女，安徽阜陽人，skyleite@hotmail.com.

*責(zé)任作者，何世穎(1978-)，女，山西大同人，副研究員，主要從事納米材料在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用研究，hshiying@hotmail.com

X703

：1001- 6929(2017)09- 1440- 08

ADOI：10.13198/j.issn.1001- 6929.2017.02.60

張夢(mèng)媚,何世穎,唐婉瑩,等.TiO2/生物炭復(fù)合材料處理低濃度氨氮廢水[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(9):1440- 1447.

ZHANG Mengmei,HE Shiying,TANG Wanying,etal.Disposal of low concentration ammonia-nitrogen wastewater using TiO2/biochar composite[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(9):1440- 1447.