菱角壳活性炭对富营养化水体中磷的吸附性能研究

严萌清 胡泽洋 钟曦

摘要：本研究采用常压制备的工艺，制备出菱角壳活性炭，对其进行磷吸附动力学及等温线实验的研究。结果表明，吸附过程速率主要由孔隙内扩散控制，准二级反应动力学模型和Langmuir模型分别较好地描述了菱角壳活性炭对磷的吸附过程和菱角壳活性炭对磷吸附等温曲线，菱角壳活性炭对磷饱和吸附量拟合值达26.67mg/g，能有效吸附富营养化水体中95%以上的磷，吸附能力良好。菱角壳活性炭作为一种易得、廉价、高效的吸附剂，在合理回收和解决富营养水体问题方面具有良好的应用前景。

关键词：富营养化水体;菱角壳活性炭;磷;吸附

文章编号：1008-0546（2022）02x-0095-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

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

自上世纪80年代开始，随着资源利用强度的增加，导致一些湖泊中氮、磷营养盐严重富集，造成水中藻类大量繁殖，溶解氧减少，破坏水体生态环境，对水生态系统造成巨大压力，同时也制约着经济的发展[1]。目前，主要水体除磷方法有化学沉淀法、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体物质对水中磷酸根离子的吸附亲和力，实现对废水的除磷。为扩大原料范围和清洁生产，目前人们更倾向于选择可再生的植物基废料作为制备活性炭的原料[2]。

菱角壳是一种在太湖流域很常见的水生植物，适合用于制备活性炭。作为活性炭制备的合适原材料，有取材方便、原料充足和绿色无毒等优点，但却未得到有效利用，多作为废弃物或燃料，某种程度上还会对环境造成污染。已有学者研究菱角壳的色素应用和菱角壳活性炭制作超级电容器等，但关于菱角壳活性炭除去和回收磷的方面却没有涉及。本课题利用太湖地区常见经济作物菱角壳为原料，采用常压法制备活性炭，测试菱角壳活性炭对富磷水体中磷的吸附性能;通过比较，优化制备方法，以期为富营养化水体磷的去除提供经济有效的环保材料来源。

一、材料与方法

1.实验用水

本实验用水取自苏州市古城区十全河。于2020年8月利用采水器收集水面下0.5m处的河道水，装入10L的聚乙烯桶中，运回实验室待用，并在藻类培养实验前用0.45μm的滤膜进行过滤，去除水体中的胶体物质和浮游生物。实验用水经过检测，总磷（TP）为0.363mg/L。

2.菱角壳活性炭的制备

实验所选菱角壳采自苏州本地。首先将菱角壳用自来水洗除灰尘，再用去离子水反复漂洗，烘干备用。再分别经过炭化、活化、酸洗、水洗和干燥等五个步骤，制备出菱角壳活性炭。采用电子显微镜对制备好的菱角壳活性炭的形貌进行成像观察分析。

3.静态吸附实验

（1）吸附动力学实验

取三组初始浓度分别为10、20、30mg/L的KH2PO4溶液各200mL，置于500mL锥形瓶中，每组0.01mol/LKCl维持离子强度，pH调至7.0，依次加入0.2g过100目筛的菱角壳活性炭，置于25°C恒温振荡器上振荡，并定时抽取一个样品，离心后吸上清液，测定所取样品中磷的浓度。

（2）吸附等温实验

取200mLKH2PO4溶液于500mL离心管中，初始含磷浓度为5-60mg/L，0.01mol/LKCl维持离子强度，pH调至7.0，依次加入0.2g过100目筛的菱角壳活性炭，于25°C恒温振荡器上振荡24h，经离心后吸上清液，测定所取样品中磷的浓度。

二、结果与讨论

1.菱角壳活性炭表征

利用扫描电子显微镜，观察常压法制备的菱角壳活性炭样品表面形貌，结果如图1所示。活性炭中微米孔和纳米孔互相结合，形成多维多层次孔结构。

2.吸附动力学

图2分别用准一级动力学方程以及准二级动力学方程呈现了吸附动力学特征。由图可知，在不同的磷初始浓度下，菱角壳活性炭对磷吸附反应的变化趋势大致相同，单位吸附量随反应时间的增加而增大，直至达到反应平衡。

准一级动力学方程以及准二级动力学方程计算表达式分别为：

其中：q（emg/g）为平衡吸附量，q（tmg/g）為t时刻吸附量，k1（min-1）及k2（g（/mg·min））分别为准一级反应速率常数和准二级反应速率常数。

由下表1可知，准二级拟合的相关系数略高，能更好地描述菱角壳活性磷吸附的动力学行为。

3.吸附等温线

众所周知，如下的Langmuir模型及Freundlich模型是两个拟合吸附等温线的常用模型：

其中：q（emg/g）为平衡吸附量，qm（mg/g）为饱和吸附量，Ce（mg/L）为吸附后溶液的磷浓度，KL为Lang⁃muir常数，KF及n为Freundlich常数。

对平衡吸附量qe与相应的平衡浓度Ce作等温吸附曲线，结果如图3所示。由图可知，随着磷酸根浓度的增大，吸附剂的平衡吸附量qe增大，但当磷酸根浓度达到一定程度时，qe的值趋于平缓，几乎不再变化。

分别用Langmuir方程和Freundlich方程对等温吸附数据进行拟合，拟合参数值见如下表2。由表可知，Langmuir方程的拟合能更好地描述磷在菱角壳活性炭上的吸附行为，对磷的最大吸附容量为26.67mg/g。

表3列出了为文献中几种磷吸附剂与菱角壳活性

炭磷吸附性能之间的比较。结果表明，菱角壳活性炭对磷的最大吸附容量高于这些吸附材料。经过菱角壳活性炭处理，苏州第十中学门前十全河水样磷去除率可达到96.5±1.8%，表明菱角壳活性炭是除磷性能较好的吸附材料之一。

三、总结与展望

（1）Langmuir模型能很好地拟合菱角壳活性炭对磷吸附的等温曲线，模型的相关系数R2达到0.999;准二级反应动力学模型可较好描述活性炭对磷吸附过程，模型的相关系数R2达到0.99。

（2）实验结果表明，菱角壳活性炭对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，菱角壳活性炭对磷的最大吸附容量为26.67mg/g，吸附性能优于部分文献中的磷吸附剂。菱角壳活性炭在合理回收和解决富营养水体问题方面具有良好的应用前景。

致谢：感谢江苏省苏州第十中学完善的科创平台，感谢所有指导老师放弃暑期休息时间对我们团队的细心教导，感谢父母和家人的大力支持。

参考文献

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[3]朱格仙，张建民，王蓓.活性炭负载氧化锆制备除磷吸附剂的最佳条件研究[J].中国给水排水，2008，24（3）：79-81.

[4]Zeng Le，Li Xiaomei，Liu Jindun.Adsorptive removal of⁃phosphate from aqueous solutions using iron oxide tailings[J].Water Research，2004，38（5）：1318-1326.

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