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无论河流、湖泊还是海域,氨氮是水体中主要的污染物之一。过量的氨氮导致水体富营养化,减少溶解氧,毒害水生生物,提高工业水杀菌消毒成本。因此,含过量氨氮的废水必须经过处理后才能排放到自然环境中。较之其它常见的氨氮废水处理方法,吸附法由于其工艺简单、投资少、环境友好等优点越来越受到重视。但吸附法的关键在于寻找价廉高效的吸附剂。植物废弃物来源广泛,数量大,成本低,因此作为吸附剂在去除水体中的重金属、染料等污染物中被广泛研究。然而,国内外对植物废弃物吸附去除水体中氨氮的研究报道甚少。所以,本论文首先从80种植物废弃物中筛选出高效的氨氮生物吸附剂,然后对其中有代表性的五种植物材料吸附氨氮的特性进行了系统的研究,并初步对氨氮吸附的机理进行了分析,主要结果如下:
80种植物废弃物样品中的11种材料,爬山虎叶、爬山虎茎、法国梧桐叶、向日葵茎、广玉兰叶、枇杷叶、意杨叶、青椒叶、黄花蒿茎、草莓叶、草莓茎,在氨氮含量25 mg/L时去除率大于60%,有潜力作为水体中氨氮的吸附材料。其中,爬山虎叶和法国梧桐叶的氨氮去除率几乎均达到100%。
草莓叶、草莓茎、爬山虎叶、爬山虎茎和广玉兰叶对氨氮的吸附最佳条件为材料剂量8 g/L,粒径30目,反应时间20 h,10~50℃,pH3~10。适当提高温度有利于氨氮的吸附。随反应时间氨氮吸附在10 h内平缓增加,后急速增加,在约16 h左右进入平衡阶段。等温吸附符合Langmuir和Freundlich模型,两者均证明氨氮吸附为良性吸附。上述植物材料的氨氮理论最大吸附量在25℃时分别为6.05、4.24、5.28、4.69和5.41 mg/g,达到或超过已报道的多数天然矿物的水平。
草莓叶、草莓茎、爬山虎叶、爬山虎茎和广玉兰叶对氨氮的吸附也受pH的影响。吸附量从pH2到3时急速上升,从3到7(或8)缓慢上升,随后缓慢下降至pH为10,此后快速下降。pH低于7时氨氮吸附量降低的原因是材料表面ζ-电位随pH降低而增加,因而材料表面负电荷减少,对NH4+静电引力也减小;低pH时氢离子与铵离子对吸附位点的竞争也可能是另一个原因。pH高于7时氨氮吸附量降低是由于溶液中NH4+含量随pH升高逐渐降低。但植物材料对溶液pH的缓冲则在一定程度上缓和了两者对氨氮吸附的影响,因此五种植物材料吸附氨氮适宜pH范围均为3~10。相较多数矿物材料,较宽的pH应用范围是五种植物材料的一个优势。
共存阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+对五种植物材料吸附氨氮没有显著影响,而Zn2+和Al3+则因其水解降低了溶液的pH而显著降低氨氮的吸附。共存阴离子Cl-、NO3-和SO42-对五种植物材料吸附氨氮也没有显著影响,而HCO3-、CO32-和PO43-则因为水解升高了溶液的pH而显著降低氨氮的吸附。植物材料比大多数矿物材料作为废水氨氮吸附剂有其独到的优势,即不受废水中常见离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、NO3-和SO42-的干扰。
草莓叶、草莓茎、爬山虎叶、爬山虎茎和广玉兰叶吸附氨氮的速率主要由粒内扩散控制。五种植物材料对氨氮的吸附不符合传统的准一级方程、准二级方程和粒内扩散方程,而Logistic方程可更好地描述植物材料对氨氮的吸附过程。氨氮吸附是自发的吸热过程,吸附的机理包括静电引力、化学吸附、物理吸附和离子交换,其中物理吸附起主导作用。FTIR图谱证明实验后氨氮结合于材料表面,且-COOH和-OH是氨氮结合的活性基团。