炭化的芦苇秸秆能净化富营养化污水吗

◎南京市科利华中学 张立阳

本期点评专家

黄新阶 正高级教师，特级教师，全国优秀教师，中国化学会2017年度基础化学奖获得者，湖北省首批十大名师，教育部第三批国培计划专家库专家，赤壁市“市长杯”青少年科技创新大赛评审专家。

一、研究背景

周末，我和爸爸到附近的公园游玩，发现公园中池塘的水混浊，水面上还有一层绿色浮渣。爸爸说：“这是水体富营养化现象，主要是水中氮、磷等营养物质过多，藻类生物疯狂生长，导致水中溶解氧下降，严重时鱼大量死亡，水变浊发臭。”

图1 池塘水富营养化

图2 池塘及旁边的芦苇

如何改善水体富营养化现象呢？我看到池塘边一大片枯干的芦苇长出幼嫩的茎秆，心想：幼嫩的芦苇生长时会吸收池塘中的氮、磷等营养物质，那么，这一大片干枯芦苇秸秆能否净化富营养化污水呢？如果可以，那就能实现“就地取材，综合利用”的生态治理效果。

我把这个想法告诉了老师，老师建议我运用所学知识，通过实验等方法进行探究，我决定进行尝试。

在了解植物秸秆高温炭化形成生物质炭，可作为吸附材料净化富营养化水体后，我开始探究炭化的芦苇秸秆是否对富营养化水体具有净化作用。

二、实验过程

（一）实验材料

干枯的芦苇秸秆（采摘自公园池塘边）、炭化的芦苇秸秆（500 ℃高温无氧烧制而成的芦苇生物质炭）、氯化铵、氯化钠、便携式氨氮检测仪、电子天平等。

（二）实验准备

1.芦苇生物质炭的前处理

我用纯净水把干枯的芦苇秸秆清洗干净后，剪成0.5 cm左右的小段，放入烤箱中进行干燥处理后取出，记为未炭化芦苇。将购买的芦苇生物质炭也剪成0.5 cm左右的小段后干燥处理，记为炭化芦苇。

配制100 mL质量分数为20%的氯化钠溶液，把10 g炭化芦苇倒入后搅拌均匀。浸泡24 h后，先用纯净水冲洗干净，再进行干燥处理，记为盐性炭化芦苇。

2.水样的配制

我用氯化铵溶液模拟富营养化污水，用便携式氨氮检测仪测量水样氨氮浓度。取3.82 g干燥的氯化铵溶于1 L纯净水中，制成氨氮贮备溶液。实验时用纯净水稀释20倍，得到质量分数为50 mg/L的氨氮水样。

图3 部分实验器材

图4 配制氨氮水样

（三）吸附实验

1.改变投加量进行实验

我分别取0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g、0.6 g、0.8 g的三种芦苇秸秆（未炭化芦苇秸秆、炭化芦苇秸秆、盐性炭化芦苇秸秆），分别投入50 mL制备的模拟氨氮水样中，吸附反应2 h后，过滤取滤液，测定滤液中氨氮的浓度。每个实验重复3次，数据取平均值，最后计算氨氮去除率。结果见表1。

表1 不同的芦苇秸秆投加量对氨氮去除率的影响

炭化芦苇秸秆的氨氮去除率远高于未炭化芦苇秸秆的氨氮去除率，其中盐性炭化芦苇秸秆的氨氮去除率最高。

随着芦苇秸秆的投加量增加，氨氮去除率逐渐升高。但是当投加量超过0.4 g后，氨氮去除率的递增幅度明显变小。所以，芦苇秸秆吸附净化氨氮水样的最佳投加量为0.4 g，也就是说，每1 L富营养化污水需投加8 g炭化芦苇秸秆最为经济有效。

2.改变吸附时长进行实验

我取未炭化芦苇秸秆、炭化芦苇秸秆、盐性炭化芦苇秸秆各0.5 g，吸附处理50 mL制备的模拟氨氮水样，吸附时长分别为30 min、60 min、120 min、180 min、240 min、600 min，之后过滤取滤液，测定滤液中氨氮的浓度。每个实验重复3次，数据取平均值，最后计算氨氮吸附量。

添加两种炭化芦苇秸秆后，氨氮吸附量随时间增加而快速增大，明显高于未炭化芦苇秸秆的氨氮吸附量。在120 min后，吸附基本达到平衡，最大氨氮吸附量达到5.3 mg/g。添加未炭化芦苇秸秆后，氨氮吸附量没有快速增大，最大氨氮吸附量仅为1.4 mg/g。

可见，炭化芦苇秸秆的氨氮吸附量高于未炭化芦苇秸秆的氨氮吸附量，盐性炭化芦苇秸秆表现最佳。

3.改变温度进行实验

我取未炭化芦苇秸秆、炭化芦苇秸秆、盐性炭化芦苇秸秆各0.5 g，吸附处理50 mL制备的模拟氨氮水样，溶液温度分别为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃，之后过滤取滤液，测定滤液中氨氮的浓度。每个实验重复3次，数据取平均值，最后计算氨氮去除率。结果见表2。

表2 溶液温度对氨氮去除率的影响

随着溶液温度升高，氨氮去除率逐渐升高；炭化芦苇秸秆氨氮去除率的增幅远大于未炭化芦苇秸秆氨氮去除率的增幅，盐性炭化芦苇秸秆氨氮去除率的增幅最大，在30 ℃时氨氮去除率达到85.3%。

三、结论

炭化芦苇秸秆对富营养化水体中氨氮的去除率高，吸附净化效果好。因此，我们可以综合利用芦苇进行富营养化水体的生态治理：一方面在芦苇生长期间，利用其根系吸收水体中的氮、磷等营养物质；另一方面在芦苇成熟枯黄后，收获它的秸秆制成生物质炭，用来净化水体中的营养物质，实现“就地取材，综合利用”的治理效果。

盐水浸泡处理后的炭化芦苇秸秆对富营养化水体中氨氮的去除率最高，可以优先考虑利用这种芦苇秸秆进行水体净化治理。

芦苇秸秆对水体中氨氮的吸附净化效果受秸秆投加量、吸附时长、温度等因素的影响。我发现在芦苇秸秆投加量为8 g/L、吸附时长为120 min、吸附温度为30 ℃时，芦苇秸秆对水体中氨氮的吸附净化效果最佳。