改性芦苇材料的吸附脱氮性能及其资源化探究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0798

摘要/Abstract

摘要：

为了探究废水中硝酸盐氮的资源化协同白洋淀过剩芦苇资源的高值化利用模式，以芦苇秸秆（Reed straw，RS）为原材料制备胺化改性芦苇秸秆（Modified reed straw，MRS），通过吸附-解吸-再生实验、MRS资源化应用实验和SEM、XPS、FT-IR等表征手段，探究了MRS在去除废水中硝酸盐氮及其资源化方面的潜在用途。结果表明，MRS对硝酸盐氮的最大吸附量为8.54 mg/g，其吸附行为符合Freundlich吸附等温模型，吸附过程更符合拟二级吸附动力学模型，经过9次吸附-解吸-再生循环试验后吸附剂的吸附性能没有明显下降，将吸附硝酸盐氮的MRS（MRS-NO₃ ^-）用作肥料对植株生长起到了明显的促进作用，实验土壤的pH无变化。综上，MRS是一种低成本高效无害的硝酸盐吸附剂，通过吸附-解吸-再生-资源化技术路线初步实现了废水中硝酸盐氮的资源化协同白洋淀过剩芦苇资源的高值化利用模式。

关键词: 芦苇秸秆, 资源化, 吸附剂, 废水, 硝酸盐氮

Abstract:

In order to explore the resource utilization of nitrate nitrogen in wastewater and the high-value utilization mode of excess reed resources in Baiyang Lake, this paper prepared modified reed straw(MRS) with waste reed straw(RS) as raw material. Through adsorption desorption regeneration experiments, MRS recycling application experiments and SEM, XPS, FT-IR characterization methods, the potential use of MRS in the removal of nitrate nitrogen in wastewater and its recycling was explored. The results showed that the maximum adsorption capacity of MRS for nitrate was 8.54 mg/g, and its adsorption behavior was in line with the Freundlich adsorption isotherm model. The adsorption process was more in line with the pseudo second-order adsorption kinetics model. After 9 adsorption-desorption-regeneration cycles, the adsorption performance of the adsorbent did not significantly decrease, the material adsorbing nitrate nitrogen(MRS-NO₃ ^-) used as fertilizer played a significant role in promoting plant growth, and the pH of the experimental soil did not change. In conclusion,MRS is a low-cost, efficient and harmless nitrate adsorbent. This study preliminarily realized the resource utilization of nitrate nitrogen in wastewater and the high-value utilization mode of excess reed resources in Baiyang Lake through the technical route of adsorption-desorption-regeneration-recycling.

Key words: reed straw, resource utilization, adsorbent, wastewater, nitrate nitrogen

中图分类号:

TQ424

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I8/122

图/表 19

表1 MRS资源化实验设计方案

Table 1 Resource based experimental design scheme of MRS

组别	实验条件
空白组	不加吸附剂
对照组	加入12 g MRS
实验组一	加入12 g硝酸盐氮吸附量为3 mg/g的MRS-NO₃ ^-
实验组二	加入12 g硝酸盐氮吸附量为5 mg/g的MRS-NO₃ ^-

图1 RS（a，d）、MRS（b，e）、MRS-NO₃ ^-（c，f）的SEM和EDS（g）

Fig.1 SEM images of RS（a，d），MRS（b，e） and MRS-NO₃ ^-（c，f） and EDS spectrogram（g）

表2 材料元素含量

Table 2 Material element content

材料	元素	质量分数/%	原子数分数/%
RS	C	54.43	61.41
	N	0.31	0.30
	O	45.18	38.26
	Cl	0.07	0.03
MRS	C	57.15	65.41
	N	1.28	1.25
	O	36.51	31.37
	Cl	5.06	1.96
MRS-NO₃ ^-	C	53.09	59.82
	N	4.28	4.13
	O	42.06	36.03
	Cl	0.03	0.01

图2 材料表面元素扫描图

Fig.2 Element scanning map of material surface

图3 各材料XPS全谱对比

Fig.3 XPS of wide-scan diagram of materials

图4 RS（a）、MRS（b）、MRS-NO₃ ^-（c）的N 1s高分辨能谱分峰

Fig.4 N 1s high resolution spectral peak splitting of RS（a），MRS（b） and MRS-NO₃ ^-（c）

图5 傅里叶变换红外光谱

Fig.5 Fourier transform infrared spectrogram

图6 MRS投加量对硝酸盐氮去除率的影响

Fig.6 The effect of MRS dosage on nitrate nitrogen removal rate

图7 吸附动力学模型拟合

Fig.7 Fitting of adsorption kinetics model

图8 在不同温度下吸附等温模型拟合

Fig.8 Fitting of adsorption isotherm models at different temperatures

表4 吸附等温模型拟合参数

Table 4 Fitting parameters of adsorption isotherm model

温度/℃	Langmuir模型			Freundlich模型
温度/℃	q _max/（mg·g^-1）	K _L	R ²	n	K _F	R ²
15	8.54	0.139	0.976	2.29	1.69	0.998
25	8.43	0.143	0.976	2.43	1.78	0.996
35	8.76	0.122	0.976	2.31	1.66	0.997

图9 解吸液类型对解吸效果的影响

Fig.9 The influence of desorption fluid type on desorption effect

图10 再生次数对吸附效果的影响

Fig.10 The effect of regeneration times on adsorption efficiency

表5 不同吸附剂对硝酸盐氮的吸附解吸性能比较

Table 5 Comparison of adsorption and desorption performance of different adsorbents

吸附剂	最大吸附量/（mg·g^-1）	硝酸盐氮去除率/%	再生率/%
CPB改性沸石^〔34〕	4.70
改性香蒲生物炭^〔35〕	5.56	74.35
改性芦苇^〔36〕	4.24
铁改性生物炭^〔37〕	4.49
改性玉米秸秆^〔17〕	13.61
阴离子交换纤维^〔21〕	31.32		97.0
聚吡咯改性塑炭^〔38〕	10.04		94.7
本研究	8.54	79.84	99.9

图11 玉米幼苗株高、生长趋势、鲜重

Fig.11 Plant height，growth trend and fresh weight of maize seedlings

图12 玉米幼苗叶绿素质量分数和含氮量 seedlings

Fig.12 Chlorophyll content and nitrogen content of maize

图13 各组土壤pH变化

Fig.13 Changes in soil pH in each group

表6 各实验组土壤含氮量

Table 6 Soil nitrogen content of each group

组别	序号	含氮量/（mg·g^-1）
背景值	1	0.002 7
空白组	1	0.000 78
	2	0.000 62
	3	0.001 16
对照组	1	0.000 39
	2	0.001 13
	3	0.000 55
实验组一	1	0.015 04
	2	0.025 40
	3	0.021 06
实验组二	1	0.017 54
	2	0.034 47
	3	0.021 14

图14 技术路线

Fig.14 Technology roadmap

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