MgFe2O4改性生物炭微球对尿液中磷的回收性能及其还田效应研究

Using biochar to adsorb phosphate from urine and returning it to soil for soil improvement are significant to eutrophication prevention and resource utilization of phosphate. However, the adsorption capacity of biochar to phosphorus is low. Metal (hydrogen) oxides with high phosphorus adsorptive activity are often selected to modify biochar to enhance its phosphorus adsorption performance. This project intends to study the mechanism of high phosphorus adsorptive activity produced by coupling low-adsorptive activity MgFe2O4 with biochar, and to analyze the synergistic mechanism for phosphorus enhancement. It will provide a new idea for the design and preparation of high performance phosphorus adsorbents. Then embedding spherical carbonization method will be used to reduce the loss rate of nano-MgFe2O4 on biochar, and to improve the mass transfer performance of the microspheres. At the same time, effective recovery of adsorbent can be achieved by utilizing the easy settling of microspheres and the magnetism of MgFe2O4 in microspheres. The effects of preparation conditions on phosphorus adsorption performance, loss rate of MgFe2O4, mass transfer performance, microsphere size and magnetic properties will be investigated. Rresponse surface methodology will be used to optimize the synthesis conditions of microspheres. Static and dynamic adsorption experiments will be carried out to study the phosphorus recovery from real urine by microspheres. Using 32P tracer method, the release dynamics of phosphorus on microspheres and its migration in soil and crops will be revealed, and the safety and environmental effects after returning to the field will be comprehensively analyzed. It will provide a new way for efficient recovery and reuse of phosphorus in water.

生物炭吸附尿液中的磷，并用于土壤改良，对防止水体富营养化及磷的资源化利用具有重要意义。但生物炭对磷的吸附量较低，常选择对磷有高吸附活性的金属(氢)氧化物对其进行改性。本项目拟研究低吸附活性的MgFe2O4与生物炭耦合后对磷产生高吸附活性的机理，解析二者协同增强磷吸附的作用机制，为高性能磷吸附剂的设计制备提供新的思路。并采用包埋成球碳化法降低生物炭上纳米MgFe2O4的损失率，提高微球的传质性能。同时利用微球易沉降的优势及其内部MgFe2O4的磁性实现吸附剂的有效回收。探讨制备条件对磷吸附性能、MgFe2O4损失率、传质性能、微球尺寸、磁性的影响。采用响应曲面法对微球的合成条件进行优化。通过静态和动态吸附实验，研究微球对实际尿液中磷的回收效果。利用32P示踪法，揭示微球上磷的释放动态及在土壤、作物中的运移规律，综合分析还田后的安全性和环境效应。为水体中磷的高效回收和再利用提供一种新的途径。

生物炭来源广泛、价格低廉，是农作物废弃物资源化利用的一种途径，且常被用作土壤改良剂来改善土壤理化性质。但其本身矿物质养分含量有限，能直接供给土壤的养分很少。将水体中的磷富集到生物炭上，然后作为缓释肥应用于贫瘠土壤，在实现水体中磷的去除和资源化利用的同时，避免了吸附剂脱附、饱和后吸附剂难处理的问题。但生物炭对磷的吸附性能不高，常通过负载跟磷有较强结合力的金属(氢)氧化物来提高其吸附性能。.本项目利用海藻酸镧包埋成球，热解炭化的方法，得到改性生物炭微球（直径1-2mm），用于水体中磷酸盐的吸附研究。对粉末MgFe2O4改性生物炭进行成球过程的优化调控。找到提高MgFe2O4改性生物炭微球表面传质性能，降低MgFe2O4损失率的最佳制备条件。结果表明，5%的LaCl3、采用先成球后煅烧的制备顺序，且煅烧温度为600℃时得到的MgFe2O4改性生物炭微球具有最佳的磷酸盐吸附效果，且微球具有较好的磁性、机械强度和均一性。.表征分析结果表明，MgFe2O4在微球结构中成功掺杂，生物炭为MgFe2O4提供骨架支称和载点，克服金属团聚，提高磁性纳米铁酸镁的分散性与稳定性。在热解过程中，生物质具有类似发泡剂的功能，在微球体系内部形成多孔结构，从而使微球具有良好的磷酸盐吸附传质性能。.静态吸附实验结果表明微球体系中的MgFe2O4、La2O3和BC等组分对磷酸盐的吸附产生协同促进作用。微球具有较快的磷酸盐吸附速率，性能稳定，在pH 5-8均保持较高的吸附容量，无重金属金属溶出，且不受共存阴离子干扰。固定床吸附及微球再生结果表明，微球首次吸附在穿透点前达到的有效处理体积约为1205BV，其总磷吸附量约为20.24mg。微球在三次连续的吸附-再生循环实验中仍可维持首次吸附容量的70%，在低浓度磷酸盐废水的连续式处理中具有较强的应用潜力。.载磷生物炭微球在在中性或酸性土壤中均可缓慢释放P元素，可作为长效磷缓释肥料提高土壤肥力。此外，评估了其作为土壤重金属钝化剂的潜能，生物炭磷微球释放后对Cu、Zn、Cd、Pb等阳离子重金属均具有较高的去除效果。故生物炭微球在实现废水中磷回收的同时兼具磷缓释肥和重金属钝化剂的功效。此研究对指导高效易沉降除磷吸附剂的制备，磷的高效回收和再利用，农林废弃物的高值化利用，国家双碳目标具有重要意义，可创造良好的经济效益和社会效益。.