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山 东 化 工
ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１８年第４７卷
铁改性芦苇炭对水体磷酸盐的吸附效果研究
时 萌，孙 菁，嵇文晖，陈 葛，胡志新
（南京工程学院环境工程学院，江苏南京 ２１１１６７）
摘要：利用水生植物芦苇通过限氧炭化的方式制备芦苇炭，并用氯化铁对其进行改性，研究了其对水体中磷酸盐的吸附能力。结果表
明，铁改性芦苇炭对磷酸盐的吸附能力随铁炭比增加呈现先增加后下降的趋势，对磷酸盐的去除率随芦苇炭投加量的增加而增大，且符合准二级动力学模型，不同的共存离子对其吸附的影响存在差异。关键词：芦苇；生物质炭；磷酸盐；吸附中图分类号：Ｘ７０３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）０５－０１６４－０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆＰｈｏｓｐｈａｔｅｆｒｏｍＷａｔｅｒｏｎｔｏＩｒｏｎＭｏｄｉｆｉｅｄＲｅｅｄＢｉｏｃｈａｒ
ＳｈｉＭｅｎｇ，ＳｕｎＪｉｎｇ，ＪｉＷｅｎｈｕｉ，ＣｈｅｎＧｅ，ＨｕＺｈｉｘｉｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１６７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｅｄｂｉｏｃｈａｒｗａｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｈｙｄｒｏｐｈｙｔｅｒｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈｏｘｙｇｅｎ－ｌｉｍｉｔｅｄｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄｗａｓｍｏｄｉｆｉｅｄｗｉｔｈｆｅｒｒｉｃｃｈｌｏｒｉｄｅｗｈｉｃｈｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｗａｔｅｒａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｉｒｏｎ－ｃａｒｂｏｎ
，ｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｒｅｅｄｂｉｏｃｈａｒｔｏｐｈｏｓｐｈａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｗｏｕｌｄｄｅｃｒｅａｓｅｉｆｉｒｏｎｌｏａｄｉｎｇｉｓｒａｔｉｏｔｏｏｌａｒｇｅ．Ｉｔｗａｓａｌｓｏｆｏｕｎｄｔｈａｔｉｔｗａｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｂｉｏｃｈａｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｂｙｔｈｉｓｂｉｏｃｈａｒｆｏｌｌｏｗｅｄｐｓｅｕｄｏ－ｓｅｃｏｎｄａｒｙａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｓａｎｄｔｈｅｒｅｗｅｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅｏｆｓｏｍｅｉｏｎｓｏｎｔｈｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｉｒｏｎ－ｍｏｄｉｆｉｅｄｒｅｅｄｂｉｏｃｈａｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｅｄ；ｂｉｏｃｈａｒ；ｐｈｏｓｐｈａｔｅ；ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ 近年来，水体富营养化现象越来越严重，影响人类正常的
［１］
生产及生活。而控制水体中磷浓度是解决富营养化问题最
２］
有效的方法之一［。对于去除水中的磷，吸附法是一个效率
［３－５］
高，污染少的方法。生物质炭是生物质材料在限氧条件下，低温热解炭化产生的一类比表面积大、吸附能力强、富含碳
［６］
价元素、高度难溶的多孔细小颗粒物质。其原料来源广泛，
［７－１０］
格低廉，适合用作吸附剂。芦苇是湿地生态修复中常用的植物，用芦苇秆制成的芦苇生物质炭对水体中磷酸盐具有吸附能力，所以芦苇杆制炭是一种减少其二次污染及对水中磷元素
１１］
去除的途径［。但芦苇炭对水体中磷酸盐的吸附能力较弱，需要对芦苇炭表面进行适宜的改性与修饰来增强其对磷的吸附
１２］
潜力［。本研究将芦苇杆制备成芦苇炭并改性，用于水体中磷酸盐的去除，探究改性芦苇炭的吸附容量、吸附机理以及影响吸附的因素，为减轻水体由于磷超标引起的富营养化问题以及污水处理厂尾水深度净化处理提供依据。
炭对磷吸附量及去除率的计算公式为：
（ＣＣ）×Ｖ０－ｅｑ＝（１）
ｍ（ＣＣ）０－ｅＲ＝×１００％（２）
Ｃ０ｑ为吸附量，ｍｇ／ｇ；Ｒ为去除率，％；Ｃ式中，０为初始磷溶液
浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃｍｇ／Ｌ；Ｖ为溶液的体ｅ为吸附平衡时磷溶液浓度，
Ｌ；ｍ为芦苇炭的质量，ｇ。积，
１．２．１ 不同铁炭比的磷酸盐等温吸附试验
取不同铁炭比改性的芦苇炭各０．１ｇ于２５０ｍＬ锥形瓶中，００ｍＬ浓度（以Ｐ计）为２０ｍｇ／Ｌ的磷酸盐使用液分别加入将１
上述的锥形瓶中，放入恒温振荡箱恒温（２５℃）振荡２ｈ，取出后过０．４５ｍ的滤膜，取澄清液体，稀释２０倍于５０ｍＬ的比色管μ
１）和（２）计算其吸附量和去除率，中，定容至标线。根据公式（
确定最佳铁炭比。
１．２．２ 不同炭添加量的磷酸盐等温吸附试验
分别取０．１、０．２、０．３、０．４、０．５ｇ最佳铁炭比改性芦苇炭于２５０ｍＬ锥形瓶中，将１００ｍＬ浓度（以Ｐ计）为２０ｍｇ／Ｌ的磷酸盐使用液分别加入到上述锥形瓶中，放入恒温振荡箱恒温（２５℃）振荡２ｈ，取出后过０．４５ｍ的滤膜，取澄清液体，稀释２０倍μ于５０ｍＬ的比色管中，定容至标线。按上述方法确定最佳投加量。
１．２．３ 吸附动力学试验
取最优铁炭比改性芦苇炭各０．１ｇ于２５０ｍＬ锥形瓶中，将１００ｍＬ浓度（以Ｐ计）为２０ｍｇ／Ｌ的磷酸盐使用液分别加入上述锥形瓶中，放入恒温振荡箱恒温（２５℃）振荡２ｈ，分别于５、１０、２０、３０、６０、９０、１２０、１５０ｍｉｎ后取样，过０．４５ｍ的滤膜，取澄μ清液体，稀释２０倍于５０ｍＬ的比色管中，定容至标线。
１ 材料与方法
１．１ 改性芦苇炭的制备
将芦苇在５００℃下限氧炭化，过１００目筛后，用抽滤装置对筛下物进行多次洗涤除去杂质；再以８０℃烘干至恒重。按照１芦苇炭对应１０ｍＬ盐酸的比例，用１ｍｏｌ／Ｌ的盐酸浸泡１ｈ，以ｇ
去除灰分等杂质；过滤后用蒸馏水洗至中性，再次以８０℃烘干
１３］
至恒重，即为芦苇炭，密封备用［。
ｏｌ／Ｌ的氯化铁溶液若干，以１ｇ炭对应１ｇ铁离子配置１ｍ
（记为铁炭比为１）的比例把炭放入溶液中，置于恒温震荡箱中震荡１ｈ，过滤后用蒸馏水洗至滤液无铁离子，再以８０℃烘干
［１３］
至恒重，密封备用。同法制备铁炭比为０．６、０．８、１．０、１．２的铁改性芦苇炭。
１．２ 芦苇炭对磷酸盐的等温吸附试验
水体中磷浓度的测定方法采用钼锑抗分光光度法。芦苇
收稿日期：２０１７－０１－２５
基金项目：南京工程学院高层次引进人才科研启动基金（ＹＫＪ２０１６２４）；南京工程学院校级科研基金（ＣＫＪＢ２０１４０９）作者简介：时 萌（１９９６—），男，山东济宁人，本科生，从事水污染控制工程研究。
第５期时 萌，等：铁改性芦苇炭对水体磷酸盐的吸附效果研究
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１．２．４ 共存离子对磷酸盐吸附的影响
取５支５０ｍＬ比色管分别吸取１０ｍＬ磷酸盐标准液，依次
２号比色管加入编号。１号比色管直接用蒸馏水稀释至标线，
０．０１ｍｏｌ的氯化钠后稀释至标线，３号比色管加入０．０１ｍｏｌ的钠后稀释至标线，４号比色管加入０．０１ｍｏｌ的碳酸氢钠后稀释至标线，５号比色管加入０．０１ｍｏｌ氢氧化钠后稀释至标线。分别在这５支比色管中加入０．１ｇ最佳铁炭比改性芦苇炭，放入恒温振荡箱中振荡２４ｈ。取出后测定其中的磷含量并计算磷酸盐吸附量。
一级、准二级方程对其吸附过程进行吸附动力学模拟。
－ｋｔ１
准一级动力学模型的拟合方程为：ｑｑ（１－ｅ）（３）ｔ＝ｅ×
ｔｔ１
（４）准二级动力学模型的拟合方程为：＝２＋ｑｑｑｋｔｅｅ２
ｑｔ时刻芦苇炭对磷的吸附量，ｍｇ／ｇ；ｑ吸附平衡式中，ｔ－ｅ－
时芦苇炭对磷的吸附量，ｍｇ／ｇ；ｔ－吸附时间，ｍｉｎ；ｋ准一级模１－
－１型的速度常数，ｍｉｎ；ｋ准二级模型的速度常数，ｇ／（ｍｇ·２－ｍｉｎ）。
２ 结果与分析
２．１ 不同铁炭比改性芦苇炭对磷酸盐的吸附效果
同铁炭比改性芦苇炭对磷酸盐的吸附量及去除率如表１所示。芦苇炭铁炭比随着铁离子含量的增加，吸附磷酸盐的效
果不断增加；铁炭比为１
．０时对磷的去除效果最好，吸附量最大，为３．１５ｍｇ／ｇ；之后又开始下滑。这说明在一定范围内芦苇炭负载的铁离子含量越高，对磷酸盐的去除效果越好，但是铁离子所占比例超过５０％后，由于炭的相对含量减少反而影响对磷的吸附效果。
表１ 不同铁炭比的磷酸盐去除效果
Ｔａｂｌｅ１ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｒｏｎｃａｒｂｏｎｒａｔｉｏｏｎｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆ
ｐｈｏｓｐｈａｔｅ
铁炭比吸附量／（ｍｇ／ｇ）去除率／％０１．０２±０．０２４．７２±０．４１０．６１．２９±０．０６５．９８±０．２７０．８１．８２±０．０９８．３９±０．４１１．０３．１５±０．１４１４．５０±０．６８１．２
０．６９±０．２１
３．１８±０．９５
２．２ 不同炭添加量对磷酸盐的吸附效果
铁炭比为１．０的改性芦苇炭对磷酸盐的吸附量及其去除
率随炭投加量的变化如图１所示。在初始浓度为２
０ｍｇ／Ｌ的磷酸盐溶液中，改性芦苇炭投加量从０．１ｇ增加至０．５ｇ，磷酸盐的去除率持续增加，但增幅较小，单位平均吸附量不断减小，最
大单位吸附量仅为０
．４１ｍｇ／ｇ。图１ 炭添加量与吸附量和去除率的关系曲线
Ｆｉｇ．１ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｐｈｏｓｐｈａｔｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
Ｉｒｏｎｍｏｄｉｆｉｅｄｒｅｅｄｂｉｏｃｈａｒｄｏｓａｇｅｓ
２．３ 芦苇炭对磷酸盐的吸附动力学
铁炭比为１．０的铁改性芦苇炭不同吸附时间对磷的吸附
量变化如图２所示，
在吸附的前９０ｍｉｎ，吸附效果稳定，随着吸附时间的增加，吸附量并没有明显的变化；当吸附时间达到９０ｍｉｎ时，吸附量突然增加，在１２０ｍｉｎ之后趋于平衡。采用准
图２ 不同吸附时间芦苇炭对磷酸盐的吸附量
Ｆｉｇ．２ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｒｅｅｄｃｈａｒｃｏａｌ
ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｄｓｏｒｐｔｉｏｎｔｉｍｅ
准二级动力学方程能对其吸附动力学进行较好的拟合，Ｒ２
大于０．９７，且吸附平衡量更接近实测值。准二级动力学模型拟合参数见表２，拟合曲线见图３。
表２ 动力学方程拟合参数Ｔａｂｌｅ２ Ｋｉｎｅｔｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｆｉｔｔｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
动力学方程拟合参数ｑｅ／（ｍｇ／ｇ）ＫＲ
２
准二级动力学模型
０．４７２
３．２３
０．９８２
图３ 磷酸盐吸附动力学方程拟合曲线
Ｆｉｇ．３ Ｐｈｏｓｐｈａｔｅｄｓｏｒｐｔｉｏｎｋｉｎｅｔｉｃｍｏｄｅｌｆｉｔｔｉｎｇｃｕｒｖｅ
２．４ 共存离子对芦苇炭吸附效果的影响
由图４可以看出氯离子和根离子对磷酸盐的吸附过
程几乎没有影响，而添加了碳酸氢钠和氢氧化钠后铁改性芦苇炭对磷酸盐的吸附能力明显降低，这可能是由于碳酸氢根离子
和氢氧根离子改变了溶液中的ｐ
Ｈ值使得磷酸根主要存在形态由Ｈ３ＰＯ－２－３－
４依次向Ｈ２ＰＯ４、ＨＰＯ４、ＰＯ４转变，负电荷逐渐增加，静电斥力增强，导致铁改性芦苇炭对磷酸盐的吸附能力下降［１４］；另一个原因可能是由于原来附着在碳原子上的Ｆｅ３＋与
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山 东 化 工
ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１８年第４７卷
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（９）：３４５８－３４６６．（本文文献格式：时 萌，孙 菁，嵇文晖，等．铁改性芦苇炭对水体磷酸盐的吸附效果研究［Ｊ］．山东化工，２０１８，４７（５）：１６４－１６６．）４ｍ、２９ｍ；而气水层、气层在全区较少。
溶液中的ＯＨ－反生反应而脱落，从而降低了芦苇炭的吸附效
［１３］果。
图４ 共存离子对芦苇炭的去磷效果影响
Ｆｉｇ．４ Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｏｅｘｉｓｔｉｎｇｉｏｎｓｏｎｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ
ｆｒｏｍｒｅｅｄｂｉｏｃｈａｒ
３ 结论
本研究利用水生植物芦苇通过限氧炭化的方式制备芦苇
炭，并对其改性增强其吸附能力，研究了其对水体中磷酸盐的吸附能力，得到以下结论：
（１）采用不同铁炭比改性的芦苇炭，其吸附能力不同，铁炭比增加，芦苇炭的吸附能力增强；铁负载量过大，对磷酸盐的吸
．０。附能力又会下降；最优铁炭比为１
（２）铁改性芦苇炭投加量越大，对磷酸盐的去除率越高。３）准二级动力学模型拟合方程能全面的反映铁改性芦苇（
炭对磷酸盐的吸附。
（４）氯离子和根离子对铁改性芦苇炭吸附磷酸盐的能力几乎没有影响，而碳酸氢根离子和氢氧根离子会明显降低铁改性芦苇炭对磷酸盐的吸附能力。
参考文献
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特征［Ｊ］．农业环境科学学报，２０１４，３３（９）：１８１７－１８２２．［３］张宝安，张宏伟，张雪花，等．生物活性炭技术在水处理中的（上接第１６３页）
９．９９ｍ，最高可达７２．５ｍ；在昌２９井附近，厚度附近最低可达３
可达８４ｍ左右，其中油气层厚度在４０ｍ左右，气水层厚度在４３ｍ左右；而在昌３０、昌３９、昌古１井附近，平均在３０ｍ左右，其中气水层井在昌３０井附近厚度约为２３ｍ，油层、油水层在昌３９、昌古１附近分别平均为４ｍ、２９ｍ厚。
檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮檮参考文献
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２０１１．京：石油工业出版社，（本文文献格式：郑 涛，周 平，王 雷，等．伊通盆地梁家－
万昌构造带永二段储层有效厚度研究［Ｊ］．山东化工，２０１８，４７（５）：１６２－１６３，１６６．）
３ 结论
（１）梁家构造带永二段储层主要为低－特低孔、特低－超
低渗储层，万昌构造带永二段储层主要属低－特低孔、低－特低渗储层，梁家－万昌构造带永二段储层平均有效厚度较厚，为３．８７ｍ。
２）万昌构造带永二段油气水层有效厚度基本都在４ｍ以（
上。油气层仅在昌１井区附近约５．６４ｍ，油层在昌１５井区附
４ｍ，而油水层在昌４井附近有２５．０８ｍ厚；气层近厚度约为２
在昌２０、昌１０１、昌１０４等井附*均有效厚度约２０ｍ；气水层全区普遍分布。
３）梁家构造带永二段油气水层有效厚度较万昌构造带（
３ｍ以上。油气层有效厚度最高达１６６ｍ，油层厚，基本都在２
在昌１３、昌１０６井附近最高可达１５４ｍ左右，在昌２９井附近油气层厚度约４０ｍ；油层、油水层在昌３９、昌古１附近分别平均为
