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铁炉渣对磷的吸附与解吸特征的研究

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! ! ! = CN12—1352/N 实 验 室 科 学 第17卷第4期2014年8月 LABORATORY SCIENCE Vo1.17 No.4 Aug.2014 铁炉渣对磷的吸附与解吸特征的研究 林芳 ,王 纯 ,王维奇 ,赵娜 ,蓝妮 (福建师范大学1.地理科学学院;2.亚热带湿地研究中心,福建福州 350007) 摘要:研究采用室内分析法探讨了炉渣与水稻土对磷去除的影响。研究结果表明,基质对磷的吸附量表现 为炉渣>土壤和炉渣混合>土壤,等温吸附特征符合Langmuir拟合模型;土壤和炉渣对磷的吸附量都是随着 pH的升高而增加;随着温度的升高,炉渣和土壤对磷的吸附量均有增加;基质对磷的解吸量随着吸附量的增 加而增加,并且炉渣作为基质时的解吸率较低,为3.5%,明显低于土壤的平均解吸率26%。炉渣可作为去 除磷的有效的吸附剂。 关键词:铁炉渣;磷;吸附;解吸 中图分类号:X16:¥513 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672—4305.2014.04.015 Experiment of adsorption and desorption of phosphorus by slag LIN Fang ,WANG Chun ,WANG Wei-qi ,ZHAO Na ,LAN Ni (1.College of Geographical Science;2.Research Center of Wetlands in Subtropical Region,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China) Abstract:The phosphorus removal by slag and paddy ifelds soil was determined by laboratory analysis method.The results showed:The adsorption appeared slag>soil and slag>soil and the isothermality ad- sorption was followed the Langmuir mode.Adsorption by soil and slag were increased as the enhance— ment of pH.Adsorption by soil and slag were increased with the enhancement of temperature.Desorp— tion by soil and slag were increased with the enhancement of adsorption,and slag had lower desorption rate about 3.5%.which was significantly lower than that of soil about 26%.Slag may take as a ef- fective adsorbent for phosphorus remova1. Key words:iron slag;phosphorus;adsorption;desorption 水体富营养化是人们关注的主要环境问题之 研究的重视度逐渐提高 J,这与人类对于健康生 活和食品安全的重视密切相关。稻田是主要的农业 土地利用类型之一,其在世界众多人口的生计过程 对水质及人类健康的影响Et益受到和学者 们的日益关注 J,富营养化的成因与水体中氮磷 等养分的急剧增加密切相关 J,这其中包括点源污 一,中发挥着重要的作用,随着人口增加对粮食需求的 剧增,为了提高水稻产量,肥料的施用量和施用率不 断升高,这增加了稻田养分流失引发水体富营养化 的潜在风险,在这方面的研究已有一些报道_8 J,但 不同类型稻田其发生机理与控制措施的有效性存在 差异,还有待于进一步开展更为具体的实践研究。 工业废弃物的任意堆放是造成城市环境问题的 主要原因之一,其资源化的利用是解决这一问题的 较为有效的方式,这一领域的研究已开展成为资源 与环境领域的热点与核心问题,并进行着更为广泛 染和面源污染 ,农业面源污染是主要的污染来 源,据朱德峰等估算,河流和湖泊污染中60%~ 70%是由这一原因导致的 ,对其现状调查与治理 基金项目:国家自然科学基金资助项目(项目编号: 31000209);福建师范大学优秀青年骨干教师 培养基金(项目编号:fjsdky2012007)。 通信作者:王维奇(1982-),男,辽宁沈阳人,硕士,助理研 究员,主要研究方向为稻田生态环境。 60 衾 验 室 科 学 表1 Langmuir等温吸附方程拟合结果 的研究 J。炉渣作为重要的吸附剂已被用于废水 中磷的去除研究¨ ,但作用机理与效果仍存在很大 的不确定性。 福州平原稻田地处中亚热带与南亚热带过渡 带,程式华等¨ 的研究表明,这一区域水稻种植管 理模式下,农田磷养分盈余为333%,超过农田磷平 衡盈余的阈值,可能引起磷对环境的潜在威胁。基 于此,以福州平原稻田为例,开展炉渣对磷的吸附与 解吸机制研究,对于进一步降低与防治稻田养分流 公式 Lnx--nLnC+LnK n 参数 K R 土壤 Y=O.3527X+2.23 l3 0.3527 l70 0.88 失造成富营养化的风险具有重要意义。 1材料与方法 土壤样品来源于地处福州平原的福建省农科院 吴凤综合实验站,选取三种不同基质:土壤、土壤和 炉渣混合、炉渣,磷的浓度的选取为0、20、40、60、 80、100、140、180、200 mg/L,设置pH和温度处理, 具体方法参见文献_l 。数据处理采用单因素方差 分析对不同基质对磷的吸附与解吸特征以及不同环 境模拟条件下对磷的吸附特征的差异性进行检验。 2结果与分析 2.1等温吸附曲线及模型拟合 三种基质对磷的吸附量表现为炉渣>土壤和炉 渣混合>土壤,并具有显著差异(图1,P<0.05),从 图1中的三条曲线的斜率也可以看出这一特征,这 种差异的形成与炉渣多孔结构与游离性的钙镁离子 的增加有关 。与此同时,本研究中Langmuir方程 拟合的结果优于Freundlich方程(表1,表2),三种 基质的K值(反应其对磷的吸附强度大小的指标) 大小为炉渣>土壤>混合,炉渣的K值大小是土壤的 2.65倍,进一步验证了炉渣对磷的吸附能力较强, MBC为最大缓冲容量(土壤向植物提供的有效磷大 小的指标),本研究中三种基质的MBC值大小关系 为炉渣>混合>土壤,炉渣的MBC值是土壤的7.75 a 口' E 一 删ⅢI{ 龉 平衡液浓度(mg,L) 图1基质对磷的等温吸附曲线 混合 Y=O.5045X+2.3092 0.5045 204 0.92 炉渣 Y=0.4487X+2.7669 0.4487 585 0.85 倍,说明在适合的条件下,炉渣吸附固定的磷能为植 物提供更多的养分。 2.2 不同pH条件下基质对磷的吸附特征 土壤和炉渣对磷的吸附量均表现为随着pH的 升高而增加(图2),这与pH对基质与磷酸盐之间 鲫咖吾3 2 2 1 1 @ 旨二删搭 期器 }蚴善}啪湖。 啪 伽{11111 言啪啪啪伽{的电荷平衡关系,如pH升高,土壤或炉渣颗粒表面 所带正电荷增加,从而提高对磷酸盐离子的吸附 量_1 ,这与Kostantionos等¨ 研究结论相似,但却 与Zhou等¨ 的研究结论有所不同,这说明pH对 磷的吸附特征的影响是极其复杂的,应开展更为广 泛的研究以期得出普遍的结论。 0 20 40 60 8o 100 120 140 160 平衡液浓度meCL) 图2不同pH下土壤和炉渣对磷等温吸附曲线 2.3不同温度条件下基质对磷的吸附特征 本研究中随着温度的升高,炉渣和土壤对磷的 吸附均有增加(图3),这一结论与Agyei等¨ 对炉 渣、粉煤灰的研究结论相似,导致这一变化的主要原 因是温度的升高可增加物质扩散速率,从而提高吸 附能力。此外,本研究中,35℃时吸附曲线斜率虽然 高于25℃时时,但其变化趋势有所差异,这可能与 磷的平衡浓度有关。 旦删凿 言0林芳,等:铁炉渣对磷的吸附与解吸特征的研究 61 譬 200 I:型800 600 缎}400 200 0 譬 j粤20OO 1500100。 制500 器0 10 20 30 40 50 平衡液浓度(me/L) 图3不同温度下土壤和炉渣对磷的等温吸附曲线 2.4等温解吸特征 本研究中三种基质对磷的解吸量随着吸附量的 增加而增加,并存在显著差异(P<0.05,图4),炉渣 与土壤的平均解吸率分别为3.5%和26%,说明炉 渣作为基质时的解吸率较低(表3),同时也说明炉 渣的施加对磷有很好的吸持效果。 ,6O |口a 目 200 删 ”口  ,图4基质对磷的等温解析曲线 表3基质对磷的等温解吸率 3 结语 水体富营养化过程中的磷去除研究是当前环境 领域的热点与核心问题,其机制研究是提出具体治理 措施的基础,也是治理措施有效与成败的基础。本研 究中,进一步在前人的基础上验证了炉渣在偏酸性的 亚热带福建稻田磷去除过程中具有较好的效果。从 其作用机理上来看可能与其施加后,土壤中pH增加 有关。与此同时,随着全球气候变暖,在这样的气候 变化背景下,炉渣仍然可以作为亚热带酸性稻田磷去 除的有效基质。但本研究仍有较多的问题亟待解决。 第一,从离子平衡的角度结合新的技术手段,从多个 层次进一步验证炉渣施加的有效性及其适应环境条 件;第二,当今关于不同基质对水体磷的去除的研究 仅局限于室内模拟实验,其应用结果的外推性不强, 在不同区域探究不同性质炉渣对原位水体中磷去除 效率的有效性进行研究很有必要。 与此同时,本研究还在学生培养与实践教学中 具有如下重要意义:(1)本研究的开展将拓展学生 对于工农业废弃物资源化的认识;(2)提高学生对 于水体富营养化与环境污染的关注,提高学生的环 境保护意识;(3)为实践教学提供典型案例。 参考文献(References): [1]NyenjeP M,Foppen JW,Uhlenbrook S,et a1.Eutrophication and nutrient release in urban areas of sub—Saharan U ca——a review [J].Science of the Total Environment,2010,408(3):447-455. 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