李際會(huì)，魏 萍，李寶強(qiáng)，國(guó)金義，李 靜，楊寶山，宋吉青

(1.臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 臨沂 276012；2.東營(yíng)市墾利區(qū)永安鎮(zhèn)農(nóng)技站,山東 東營(yíng) 257503；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

水體中大量營(yíng)養(yǎng)元素的富集會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，藻類(lèi)等浮游生物大量繁殖，水體溶解氧量降低，水質(zhì)惡化，增加水處理成本并危害人體健康[1-3]。氮和磷是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素[4]。去除水體中的硝酸根對(duì)改善水質(zhì)及保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[5]。傳統(tǒng)方法主要是通過(guò)化學(xué)、物理、生物等過(guò)程去除水體中的硝酸根[4]。經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的吸附法被大量應(yīng)用于各類(lèi)污水的凈化處理中[2-4]。有研究表明，鐵氧化物對(duì)水體中含氧陰離子具有高親和力和吸附選擇性[6-8]，但水體中粉末狀的鐵氧化物分離較困難，限制了其在去除污染物方面的應(yīng)用[9]。利用FeCl3作為活化劑制得的負(fù)載鐵氧化物活性炭對(duì)水體中有機(jī)物和砷酸根有較強(qiáng)的吸附能力[8-11]。麥秸生物炭通過(guò)鐵鹽溶液改性負(fù)載鐵氧化物后對(duì)水體中硝酸根和磷酸根的吸附能力大于原狀生物炭[10]，但吸附硝酸根能力(純氮計(jì)2.47 mg·g-1)低于吸附磷酸根能力(純磷計(jì)16.58 mg·g-1)。這是因?yàn)殍F氧化物對(duì)磷酸鹽具有更高的親和力和選擇吸附性[7]，且生物炭負(fù)載鐵氧化物的過(guò)程對(duì)提高硝酸根吸附能力作用較小[10]。

該研究通過(guò)制備吸附硝酸根能力高的麥秸活性炭，并應(yīng)用響應(yīng)面回歸分析方法(response surface methodology, RSM)確定吸附能力最佳時(shí)的制備條件(炭化溫度和FeCl3添加比)[12-14]，麥秸活性炭的相關(guān)性質(zhì)通過(guò)掃描電鏡分析、比表面積儀、紅外光譜分析、X射線衍射儀、X射線光電子能譜儀、磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等來(lái)表征分析，研究可為農(nóng)業(yè)廢棄物秸稈的綜合利用和水體硝酸根的去除提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 麥秸活性炭的制備

1.1.1制備方法

小麥秸稈和活性炭的物理和化學(xué)性質(zhì)如表1所示，將干燥的小麥秸稈剪成長(zhǎng)度為1 cm左右小段備用，使用FeCl3·6H2O試劑(分析純)配制FeCl3溶液。

小段秸稈加到10 mL的FeCl3溶液中，充分?jǐn)嚢韬蠼n20 min(混合物無(wú)溶液流出且麥秸保持濕潤(rùn))；將此秸稈混合物轉(zhuǎn)入瓷坩堝內(nèi)，加蓋后放入電阻爐中，升溫(50 ℃·min-1)到設(shè)定溫度并維持100 min；冷卻后用蒸餾水沖洗至濾液pH值恒定，烘箱中75 ℃干燥，即得麥秸活性炭，將其粉碎過(guò)1 mm孔徑篩備用。

表1 秸稈和秸稈碳的物理與化學(xué)元素分析Table 1 Proximate analysis and elemental analysis of wheat straw, WBC and FAC

1.1.2麥秸活性炭吸附性能優(yōu)化

采用Small Composite: Hartley Method響應(yīng)面分析方法，設(shè)置炭化溫度(X1)和FeCl3添加比(X2)2個(gè)因素，制定2因素5水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，共9個(gè)實(shí)驗(yàn)，6個(gè)析因?qū)嶒?yàn)，3個(gè)中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)估計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差和再現(xiàn)性[14]，以麥秸活性炭的吸附量為響應(yīng)值(Y)。

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，即炭化溫度和FeCl3添加比對(duì)吸附量的影響來(lái)確定中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的水平值。FeCl3添加比為72.0%時(shí)，炭化溫度為300、400、500、600和700 ℃；炭化溫度為400 ℃時(shí)FeCl3添加比為0、44.1%、72.0%、144.0%和232.3%。選擇吸附量最大的活性炭制備條件為中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)水平值，吸附量通過(guò)下式計(jì)算。

qe=(C0-Ce)V/m。

(1)

式(1)中，qe為吸附平衡時(shí)的吸附量，mg·g-1；C0為初始濃度，mg·L-1；Ce為吸附平衡時(shí)的濃度，mg·L-1；V為溶液體積，L；m為炭用量，g。

最終可得麥秸活性炭的最佳制備條件，此麥秸活性炭記為FAC，相同炭化溫度下未添加FeCl3的麥秸生物炭記為WBC。

1.2 FAC和WBC的性質(zhì)表征

采用元素分析儀(elementar analysen systeme GmbH, Hanau, Germany)測(cè)定FAC和WBC的C、H、O、N含量；采用鄰菲羅啉比色法測(cè)定Fe含量，波長(zhǎng)為530 nm；采用Hitachi S-4800(Hitachi, Japan)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察表面形態(tài)；采用全自動(dòng)物理化學(xué)吸附儀(ASAP2000, Micromeritics, USA)測(cè)定FAC和WBC的比表面積和孔徑分布，孔徑分布通過(guò)Barrett-Joyner-Halenda (BJH)法測(cè)定，平均孔徑直徑由4VT/SBET計(jì)算得出；采用傅里葉變換紅外光譜儀(VERTEX 70 Bruker, Germany)掃描定性紅外光譜圖；采用AXS D8 Focus型X射線衍射儀(Bruker AXS Inc., Madison, USA)分析FAC和WBC的晶型結(jié)構(gòu)；采用Escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀(Thermo Scientific Co., USA)測(cè)定FAC和WBC的XPS譜圖；常溫下采用MPMS-3型磁學(xué)測(cè)量系統(tǒng)(Quantum Design, USA)測(cè)定FAC和WBC的磁滯回線；水溶液中通過(guò)Zetasizer Nano ZS90型電位儀(Malvern, England)測(cè)定FAC和WBC表面Zeta電位。

1.3 麥秸活性炭吸附實(shí)驗(yàn)

1.3.1吸附量的計(jì)算

活性炭樣品0.1 g加入30 mL KNO3溶液中，pH值為7，室溫下振蕩3 h后過(guò)濾，采用酚二磺酸比色法測(cè)定過(guò)濾液氮濃度，波長(zhǎng)420 nm，根據(jù)式(1)計(jì)算吸附量(以純氮計(jì))。

1.3.2溶液濃度、炭用量、pH值和吸附時(shí)間對(duì)FAC吸附能力的影響

把FAC樣品0.1 g加到KNO3溶液中，使得ρ(N)分別為20、30、40、50、80、100、150和200 mg·L-1，計(jì)算不同溶液濃度下FAC吸附量；在ρ(N)為40 mg·L-1的KNO3溶液中添加0.03～1.00 g FAC，計(jì)算不同F(xiàn)AC添加量下的吸附量；在ρ(N)為30 mg·L-1的KNO3溶液中利用HCl或NaOH調(diào)節(jié)溶液初始pH值為2～12，隨后加入FAC樣品0.1 g，計(jì)算不同pH值條件下FAC吸附量；加入FAC樣品0.1 g到KNO3溶液中，使ρ(N)為30和50 mg·L-1，混合振蕩1、5、10、30、60、120 和180 min后過(guò)濾，計(jì)算不同吸附時(shí)間下FAC吸附量。

根據(jù)下式計(jì)算NO3-去除率。

(2)

式(2)中，R為NO3-去除率，%；C0為溶液初始濃度值，mg·L-1；Ce為吸附平衡時(shí)溶液濃度值，mg·L-1。

應(yīng)用Langmuir和Freundlich吸附模型方程研究濃度對(duì)FAC吸附能力的影響及吸附行為，方程的直線形式[3]為

(3)

(4)

式(3)～(4)中，b為L(zhǎng)angmuir吸附平衡常數(shù)，L·mg-1；Q0為L(zhǎng)angmuir理論最大吸附量，mg·g-1；Kf和n為Freundlich常數(shù)，代表吸附劑的吸附能力和吸附強(qiáng)度。

利用準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)(Pseudo First-Order)和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)(Pseudo Second-Order)方程擬合不同時(shí)間時(shí)的吸附量數(shù)據(jù)以明確吸附過(guò)程的控制機(jī)制，方程直線形式[3]為

(5)

(6)

式(5)～(6)中，qt為t時(shí)刻的吸附量，mg·g-1；k1為準(zhǔn)一級(jí)模型的吸附平衡速率常數(shù)，min-1；t為反應(yīng)時(shí)間，min；k2為準(zhǔn)二級(jí)模型的吸附平衡速率常數(shù)，g·mg-1·min-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 麥秸活性炭吸附性能優(yōu)化

2.1.1溫度和FeCl3對(duì)吸附性能的影響

隨炭化溫度的升高，麥秸活性炭吸附能力先快速增加后逐漸減小，500 ℃時(shí)的麥秸活性炭吸附能力顯著大于其他溫度(P<0.05)(圖1)。溫度300 ℃時(shí)的吸附能力非常小，僅為0.27 mg·g-1。半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的初始分解溫度為300～400 ℃[15]，所以300 ℃時(shí)的麥秸僅有部分炭化，孔隙發(fā)育不完全，吸附位點(diǎn)較少，導(dǎo)致吸附量小。當(dāng)溫度為500 ℃時(shí)，麥秸活性炭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育完全，此時(shí)的麥秸活性炭吸附量顯著大于300和400 ℃時(shí)的吸附量(P<0.05)。但隨溫度的繼續(xù)升高，麥秸活性炭吸附能力卻顯著減小(P<0.05)，可能由于活性炭發(fā)生收縮及碳結(jié)構(gòu)的重排而引起孔體積和比表面積減少[16]，導(dǎo)致吸附量減小；也可能由于FeCl3隨溫度的升高對(duì)麥秸的活化、侵蝕程度增加，部分微孔被腐蝕，破壞了孔結(jié)構(gòu)[17]，導(dǎo)致吸附能力下降。

FeCl3添加比為72.0%和144.0%時(shí)的麥秸活性炭吸附能力顯著大于其他添加比(P<0.05)，隨添加比的增大吸附能力顯著減小(P<0.05)，過(guò)多添加FeCl3破壞了麥秸活性炭的微孔[16]，部分微孔擴(kuò)張變大，導(dǎo)致吸附能力下降。

2.1.2最佳制備條件的確定

如圖1所示，炭化溫度和FeCl3添加比顯著影響麥秸活性炭的吸附性能，炭化溫度500 ℃及FeCl3添加比72.0%和144.0%時(shí)吸附量最大。選擇炭化溫度500 ℃和FeCl3添加比72.0%為RSM方法的中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)水平值(表2)。不同麥秸活性炭的氮吸附量在0.21到5.10 mg·g-1之間(ρ為30 mg·L-1)，產(chǎn)率在29.6%到55.7%之間。

運(yùn)用SAS 9.2軟件的響應(yīng)面回歸過(guò)程建立二次響應(yīng)面回歸模型，該模型充分考慮炭化溫度、FeCl3添加比及其交互作用對(duì)吸附量的影響[18]，擬合的二元二次方程為

Y=4.97+0.37X1+1.30X2-0.80X12-2.00X22+0.61X1X2。

(7)

該回歸模型方差分析結(jié)果如表3所示，擬合麥秸活性炭的實(shí)際制備條件較好，可用于制備條件的分析和預(yù)測(cè)。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果Table 2 The design and results of the experiment

表3 回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Analysis of variance for regression model

由圖2可以看出，基于炭化溫度和FeCl3添加比的交互影響，圖中存在極大值點(diǎn)，即最佳制備條件及預(yù)測(cè)吸附量。根據(jù)回歸分析得出該點(diǎn)的編碼值：X1為0.319 678，X2為0.321 389，預(yù)測(cè)值為5.29，即炭化溫度527 ℃和FeCl3添加比92.5%為最佳制備條件，預(yù)測(cè)氮吸附量為5.29 mg·g-1。

2.1.3響應(yīng)面分析方法預(yù)測(cè)吸附量的驗(yàn)證

FAC的氮吸附量為(5.09±0.17) mg·g-1，大于WBC，與預(yù)測(cè)值僅相差3.8%，其產(chǎn)率也高于WBC，說(shuō)明該方法設(shè)計(jì)合理，具有較好的應(yīng)用性。

2.2 FAC和WBC的性質(zhì)表征

2.2.1FAC和WBC的元素含量和表面形態(tài)分析

FAC中鐵和氧元素含量(9.50%)高于WBC(0.24%)(表1)，說(shuō)明有鐵氧化物負(fù)載到FAC的表面或孔隙中。FAC也含有更多的碳和氫元素。相應(yīng)地，F(xiàn)AC中固定碳、揮發(fā)分和灰分含量更多。圖3為WBC和FAC掃描電鏡圖。WBC表面光滑，而FAC表面粗糙，有大量孔隙及附著物，說(shuō)明由于FeCl3的活化作用，F(xiàn)AC形成大量孔隙，其比表面積可能大于WBC。

2.2.2FAC和WBC的結(jié)構(gòu)特性和表面基團(tuán)分析

FAC和WBC的吸附等溫線類(lèi)型介于Ⅱ型與Ⅳ型之間(圖4)[19]。相對(duì)壓力在0～0.8之間時(shí)，吸附曲線先快速后平緩上升。相對(duì)壓力大于0.9至接近飽和時(shí)，F(xiàn)AC的吸附曲線上升幅度大于WBC，這主要由于FAC中VBJH大而發(fā)生更多的中孔及大孔吸附。相對(duì)壓力大于0.4時(shí)FAC解吸等溫線存在屬于B類(lèi)回線的脫附滯后，反映其含有大量狹窄縫形孔[19]、大量中孔(2～50 nm)和一定量的大孔[20]。FAC和WBC的孔隙結(jié)構(gòu)大部分為微孔和中孔(小于10 nm)，F(xiàn)AC含有更大的BET比表面積和孔體積(表4)。

表4 FAC和WBC的結(jié)構(gòu)特性Table 4 Textural characteristics of FAC and WBC

FAC和WBC 的紅外光譜如圖5所示。在波數(shù)為3 437和3 454 cm-1附近的吸收峰為羥基—OH基團(tuán)[21]，也可能是FAC樣品中針鐵礦(a-FeOOH)成分的羥基—OH基團(tuán)[22]。波數(shù)為1 110和880 cm-1附近的吸收峰分別為C—OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)和羥基—OH基團(tuán)的彎曲振動(dòng)，880 cm-1附近的吸收峰也是FAC樣品中針鐵礦(a-FeOOH)成分羥基—OH基團(tuán)的彎曲振動(dòng)[22-23]。波數(shù)為460 cm-1附近的吸收峰為Si—O基團(tuán)的彎曲振動(dòng)[24]，也是磁赤鐵礦(g-Fe2O3)及赤鐵礦(a-Fe2O3)成分Fe—O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)[22]。FAC樣品中波數(shù)為557 cm-1的吸收峰是其磁鐵礦(Fe3O4)及磁赤鐵礦(g-Fe2O3)成分Fe—O基團(tuán)的伸縮振動(dòng)[22-23]。

FAC和WBC樣品的XRD衍射圖在2θ為20°附近都有一個(gè)弱寬衍射峰(圖6)，這是樣品中所含無(wú)定形碳的衍射峰[25-26]。FAC樣品的XRD衍射圖在33.3°、35.5°、62.7°處出現(xiàn)了3個(gè)明顯的衍射峰，33.3°和62.7°處為赤鐵礦(a-Fe2O3)成分的晶格面，在35.5°附近的衍射峰說(shuō)明FAC樣品中存在磁鐵礦(Fe3O4)(35.45°)和磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)(35.68°)成分[27]。

FAC和WBC樣品在285和532 eV附近都出現(xiàn)強(qiáng)峰(圖7)，F(xiàn)AC在711.3和724.5 eV處出現(xiàn)了弱峰，而WBC則沒(méi)有，這說(shuō)明FAC和WBC表面C元素(分別為95.06%和97.63%)含量最高，F(xiàn)AC含有Fe元素(2.68%)。

從圖8的FAC中Fe 2p的XP5譜圖可以得出，F(xiàn)e 2p3/2的峰位在711.14和713.68 eV處，711.14 eV處峰位的衛(wèi)星峰在719.71 eV處；Fe 2p1/2的峰位在724.51和727.11 eV處，724.51 eV處峰位的衛(wèi)星峰在733.10 eV處。有研究表明，F(xiàn)e2O3中Fe 2p3/2的峰位在710.6至711.2 eV之間，而且衛(wèi)星峰大約位于超過(guò)Fe 2p3/2的峰位8 eV處；Fe2SiO4中Fe2+的Fe 2p1/2的峰位在722.6 eV附近，其衛(wèi)星峰大約位于超過(guò)Fe 2p1/2的峰位6 eV處；Fe3O4中Fe 2p1/2和Fe 2p3/2的峰位分別在724.07和710.56 eV處，F(xiàn)e 2p3/2不存在衛(wèi)星峰；針鐵礦(a-FeOOH)中Fe 2p1/2和Fe 2p3/2的峰位分別在724.98和710.48 eV處[28-29]。因此，F(xiàn)AC中Fe元素存在2價(jià)和3價(jià)2種價(jià)態(tài)，包含多種鐵氧化物(a-FeOOH、Fe2O3、Fe3O4)成分。

2.2.3FAC和WBC的磁性分析

FAC的磁化強(qiáng)度(M)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而趨于飽和，反向施加也趨于飽和(圖9)。FAC的磁滯回線近似為“S”型回線，而WBC的磁滯回線接近為一條直線，這說(shuō)明FAC具有良好的超順磁性[30]，矯頑力低，移除外加磁場(chǎng)后，其磁化強(qiáng)度趨于0[31](圖9)，而WBC不帶磁性。根據(jù)FAC的磁滯回線，其飽和磁化強(qiáng)度為4.12 emu·g-1。被外加磁場(chǎng)作用10 s后，分散在水溶液中的FAC被吸附在另一側(cè)，說(shuō)明其具有良好的磁響應(yīng)性，可利用磁選方式分離。

2.3 FAC的吸附實(shí)驗(yàn)

2.3.1溶液初始濃度的影響

隨溶液初始氮濃度的增大，F(xiàn)AC的吸附量快速增加(圖10)，當(dāng)初始氮濃度(C0)為200 mg·L-1時(shí)，吸附后溶液氮濃度(Ce)為152 mg·L-1，氮吸附量為13.32 mg·g-1。由式(3)和(4)擬合數(shù)據(jù)，R2為0.961和0.948，b為0.036，Q0為14.68 mg·g-1(以NO3-計(jì)為65.01 mg·g-1)；Kf為2.43，n為3.11，說(shuō)明該吸附過(guò)程是易于進(jìn)行的[3]。

2.3.2FAC添加量的影響

隨FAC添加量從1.53增加到14.00 g·L-1，硝酸根去除率從28%增加到89%，說(shuō)明吸附位點(diǎn)和面積隨FAC量的增加而增加[4]，導(dǎo)致去除率增加，但吸附量從7.27下降到2.55 mg·g-1。當(dāng)添加量大于14.00 g·L-1時(shí)，F(xiàn)AC的增多造成顆粒的聚集和吸附位點(diǎn)的重疊[32]，有效吸附面積沒(méi)有顯著增加，去除率保持在90%左右。

2.3.3溶液pH值的影響

在低pH值條件下FAC容易形成質(zhì)子化表面，其帶正電荷的表面吸附位點(diǎn)多于高pH值條件[4]。FAC吸附量隨pH值為2.84時(shí)的5.34 mg·g-1快速下降至pH值為12.01時(shí)的0.74 mg·g-1。FAC表面帶正電荷的吸附位點(diǎn)數(shù)量并沒(méi)有因初始pH值的升高而快速下降，仍有吸附發(fā)生。吸附平衡后溶液pH值較初始值有所下降，當(dāng)初始pH值升高至11.6和12.01時(shí)，平衡后pH值降為7.75和10.58，此時(shí)FAC表面負(fù)電荷數(shù)量多于正電荷數(shù)量，吸附量快速減少。

2.3.4吸附時(shí)間的影響

在吸附開(kāi)始時(shí)段吸附量迅速增加，而后隨吸附過(guò)程的進(jìn)行趨向穩(wěn)定，120 min時(shí)達(dá)到吸附平衡，此時(shí)吸附量分別為4.40和5.30 mg·g-1(初始濃度為30和50 mg·L-1)。利用式(5)和(6)擬合數(shù)據(jù)(表5)，初始吸附速率h01=k1qe，h02=k2qe2[21]。FAC吸附的準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型的R2為0.999，大于準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，且h02大于h01，因此準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型更真實(shí)、全面地反映該吸附過(guò)程[33]。

表5 FAC吸附氮的準(zhǔn)一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)Table 5 Constants of the pseudo first- and second-order models for nitrate adsorption onto FAC

2.4 FAC吸附作用討論

FAC所含的多種鐵氧化物成分的形成可用下式來(lái)描述[34]：Fe3++3H2O→Fe(OH)3+3H+，炭化溫度≤350 ℃;Fe(OH)3→FeOOH→Fe2O3， 炭化溫度≤400 ℃;3Fe2O3+C(CO)→2Fe3O4+CO(CO2)，500 ℃≤炭化溫度≤700 ℃。

而FAC吸附過(guò)程又符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型，說(shuō)明該吸附過(guò)程也存在化學(xué)吸附過(guò)程，且為主要控速步驟[35]，形成內(nèi)層配合物[6]。水溶液中Fe3+具有明顯的水解性，易發(fā)生逐級(jí)水解。

因此，溶液中FAC表面也發(fā)生類(lèi)似水解[12]。所以，隨溶液pH值的升高，F(xiàn)AC所含[C—Fe(OH2)5](s)3+轉(zhuǎn)變?yōu)閇C—Fe(OH2)4(OH)](s)2+、[C—Fe(OH2)3(OH)2](s)+和H3O+，這將導(dǎo)致其吸附能力逐漸下降和吸附平衡后溶液pH值下降。

LIU等[9]也應(yīng)用FeCl3溶液為活化劑制備了負(fù)載Fe3O4松木鋸末活性炭，其對(duì)砷酸鹽的吸附能力(204.2 mg·g-1)遠(yuǎn)高于未負(fù)載Fe3O4活性炭(43.7 mg·g-1)。OLIVEIRA等[11]應(yīng)用FeCl3溶液為活化劑在較低溫度下(280 ℃)制備了咖啡殼活性炭，其具有高比表面積(965 m2·g-1)、更小孔徑和高染料及苯酚吸附能力。WANG[36]應(yīng)用含F(xiàn)e3+的鹽酸酸洗廢液制備了具有高比表面積和高亞甲藍(lán)吸附能力的花生殼活性炭?？梢?jiàn)，利用各類(lèi)生物質(zhì)原材料經(jīng)FeCl3活化制備的活性炭都有較好的吸附能力，適用于水體中污染物的去除。

WBC表面含有大量負(fù)電荷，水溶液中與硝酸根離子產(chǎn)生靜電互斥，導(dǎo)致其吸附能力遠(yuǎn)低于FAC。FAC含有多種鐵氧化物成分、更大比表面積和孔體積，吸附能力也高于改性麥秸生物炭[12]和改性水生植物生物炭[37]，是一種高效的、原材料來(lái)源廣泛的陰離子吸附劑。

3 結(jié)論

(1)利用FeCl3的活化作用，制得負(fù)載鐵氧化物麥秸活性炭，并應(yīng)用響應(yīng)面回歸分析方法明確了吸附硝酸根能力最佳時(shí)的制備條件，即炭化溫度527 ℃和FeCl3添加比92.5%(FeCl3/麥秸量)。

(2)最佳制備條件下的麥秸活性炭中鐵元素含量(9.50%)、比表面積(243.50 m2·g-1)和孔隙體積(0.174 cm3·g-1)都大于同溫度下未加FeCl3制備的麥秸生物炭；其對(duì)N2的吸附等溫線類(lèi)型介于Ⅱ型與Ⅳ型之間，有屬于B類(lèi)回線的脫附滯后，含有大量狹窄的縫形孔；負(fù)載多種鐵氧化物(針鐵礦、赤鐵礦、磁赤鐵礦、磁鐵礦)成分。

(3)最佳麥秸活性炭的Langmuir理論最大氮吸附量為14.68 mg·g-1(以NO3-計(jì)為65.01 mg·g-1)；當(dāng)炭用量大于14.00 g·L-1時(shí)，溶液中硝酸根去除率保持在90%左右；吸附量隨溶液pH值的升高而降低；吸附硝酸根過(guò)程符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)模型。

(4)最佳麥秸活性炭的飽和磁化強(qiáng)度為4.12 emu·g-1，具有良好磁響應(yīng)性，水體中應(yīng)用磁選方式能方便快捷地分離該吸附劑(包含硝酸根)，為改善生態(tài)環(huán)境(廢棄物利用和水體污染物去除)提供方法。