菱角殼活性炭對富營養化水體中磷的吸附性能研究

嚴萌清 胡澤洋 鐘曦

摘要：本研究采用常壓制備的工藝，制備出菱角殼活性炭，對其進行磷吸附動力學及等溫線實驗的研究。結果表明，吸附過程速率主要由孔隙內擴散控制，準二級反應動力學模型和Langmuir模型分別較好地描述了菱角殼活性炭對磷的吸附過程和菱角殼活性炭對磷吸附等溫曲線，菱角殼活性炭對磷飽和吸附量擬合值達26.67mg/g，能有效吸附富營養化水體中95%以上的磷，吸附能力良好。菱角殼活性炭作為一種易得、廉價、高效的吸附劑，在合理回收和解決富營養水體問題方面具有良好的應用前景。

關鍵詞：富營養化水體;菱角殼活性炭;磷;吸附

文章編號：1008-0546（2022）02x-0095-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.02x.025

自上世紀80年代開始，隨著資源利用強度的增加，導致一些湖泊中氮、磷營養鹽嚴重富集，造成水中藻類大量繁殖，溶解氧減少，破壞水體生態環境，對水生態系統造成巨大壓力，同時也制約著經濟的發展[1]。目前，主要水體除磷方法有化學沉淀法、吸附法、生物法等，其中吸附法是利用某些多孔或大比表面的固體物質對水中磷酸根離子的吸附親和力，實現對廢水的除磷。為擴大原料范圍和清潔生產，目前人們更傾向于選擇可再生的植物基廢料作為制備活性炭的原料[2]。

菱角殼是一種在太湖流域很常見的水生植物，適合用于制備活性炭。作為活性炭制備的合適原材料，有取材方便、原料充足和綠色無毒等優點，但卻未得到有效利用，多作為廢棄物或燃料，某種程度上還會對環境造成污染。已有學者研究菱角殼的色素應用和菱角殼活性炭制作超級電容器等，但關于菱角殼活性炭除去和回收磷的方面卻沒有涉及。本課題利用太湖地區常見經濟作物菱角殼為原料，采用常壓法制備活性炭，測試菱角殼活性炭對富磷水體中磷的吸附性能;通過比較，優化制備方法，以期為富營養化水體磷的去除提供經濟有效的環保材料來源。

一、材料與方法

1.實驗用水

本實驗用水取自蘇州市古城區十全河。于2020年8月利用采水器收集水面下0.5m處的河道水，裝入10L的聚乙烯桶中，運回實驗室待用，并在藻類培養實驗前用0.45μm的濾膜進行過濾，去除水體中的膠體物質和浮游生物。實驗用水經過檢測，總磷（TP）為0.363mg/L。

2.菱角殼活性炭的制備

實驗所選菱角殼采自蘇州本地。首先將菱角殼用自來水洗除灰塵，再用去離子水反復漂洗，烘干備用。再分別經過炭化、活化、酸洗、水洗和干燥等五個步驟，制備出菱角殼活性炭。采用電子顯微鏡對制備好的菱角殼活性炭的形貌進行成像觀察分析。

3.靜態吸附實驗

（1）吸附動力學實驗

取三組初始濃度分別為10、20、30mg/L的KH2PO4溶液各200mL，置于500mL錐形瓶中，每組0.01mol/LKCl維持離子強度，pH調至7.0，依次加入0.2g過100目篩的菱角殼活性炭，置于25°C恒溫振蕩器上振蕩，并定時抽取一個樣品，離心后吸上清液，測定所取樣品中磷的濃度。

（2）吸附等溫實驗

取200mLKH2PO4溶液于500mL離心管中，初始含磷濃度為5-60mg/L，0.01mol/LKCl維持離子強度，pH調至7.0，依次加入0.2g過100目篩的菱角殼活性炭，于25°C恒溫振蕩器上振蕩24h，經離心后吸上清液，測定所取樣品中磷的濃度。

二、結果與討論

1.菱角殼活性炭表征

利用掃描電子顯微鏡，觀察常壓法制備的菱角殼活性炭樣品表面形貌，結果如圖1所示。活性炭中微米孔和納米孔互相結合，形成多維多層次孔結構。

2.吸附動力學

圖2分別用準一級動力學方程以及準二級動力學方程呈現了吸附動力學特征。由圖可知，在不同的磷初始濃度下，菱角殼活性炭對磷吸附反應的變化趨勢大致相同，單位吸附量隨反應時間的增加而增大，直至達到反應平衡。

準一級動力學方程以及準二級動力學方程計算表達式分別為：

其中：q（emg/g）為平衡吸附量，q（tmg/g）為t時刻吸附量，k1（min-1）及k2（g（/mg·min））分別為準一級反應速率常數和準二級反應速率常數。

由下表1可知，準二級擬合的相關系數略高，能更好地描述菱角殼活性磷吸附的動力學行為。

3.吸附等溫線

眾所周知，如下的Langmuir模型及Freundlich模型是兩個擬合吸附等溫線的常用模型：

其中：q（emg/g）為平衡吸附量，qm（mg/g）為飽和吸附量，Ce（mg/L）為吸附后溶液的磷濃度，KL為Lang?muir常數，KF及n為Freundlich常數。

對平衡吸附量qe與相應的平衡濃度Ce作等溫吸附曲線，結果如圖3所示。由圖可知，隨著磷酸根濃度的增大，吸附劑的平衡吸附量qe增大，但當磷酸根濃度達到一定程度時，qe的值趨于平緩，幾乎不再變化。

分別用Langmuir方程和Freundlich方程對等溫吸附數據進行擬合，擬合參數值見如下表2。由表可知，Langmuir方程的擬合能更好地描述磷在菱角殼活性炭上的吸附行為，對磷的最大吸附容量為26.67mg/g。

表3列出了為文獻中幾種磷吸附劑與菱角殼活性

炭磷吸附性能之間的比較。結果表明，菱角殼活性炭對磷的最大吸附容量高于這些吸附材料。經過菱角殼活性炭處理，蘇州第十中學門前十全河水樣磷去除率可達到96.5±1.8%，表明菱角殼活性炭是除磷性能較好的吸附材料之一。

三、總結與展望

（1）Langmuir模型能很好地擬合菱角殼活性炭對磷吸附的等溫曲線，模型的相關系數R2達到0.999;準二級反應動力學模型可較好描述活性炭對磷吸附過程，模型的相關系數R2達到0.99。

（2）實驗結果表明，菱角殼活性炭對磷具有良好的吸附能力，能有效吸附95%以上的磷，且由模型可知，菱角殼活性炭對磷的最大吸附容量為26.67mg/g，吸附性能優于部分文獻中的磷吸附劑。菱角殼活性炭在合理回收和解決富營養水體問題方面具有良好的應用前景。

致謝：感謝江蘇省蘇州第十中學完善的科創平臺，感謝所有指導老師放棄暑期休息時間對我們團隊的細心教導，感謝父母和家人的大力支持。

參考文獻

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