2018, Vol. 37文章信息
- 索桂芳, 吕豪豪, 汪玉瑛, 刘玉学, 何莉莉, 杨生茂
- SUO Gui-fang, LÜ Hao-hao, WANG Yu-ying, LIU Yu-xue, HE Li-li, YANG Sheng-mao
- 不同生物炭对氮的吸附性能
- Study on the adsorption properties of nitrogen by different biochars
- 农业环境科学学报, 2018, 37(6): 1193-1202
- Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(6): 1193-1202
- http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2017-1378
文章历史
- 收稿日期: 2017-10-12
- 录用日期: 2017-12-19
2. 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所, 杭州 310021;
3. 浙江省生物炭工程技术研究中心, 杭州 310021
2. Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China;
3. Engineering Research Center of Biochar of Zhejiang Province, Hangzhou 310021, China
近年来，氮肥的不合理施用，使土壤中的氮素通过径流、淋溶、氨挥发及表观硝化-反硝化等途径大量流失[1-2]，不仅造成资源的严重浪费，还导致土壤、水体氮污染及富营养化等问题，造成环境污染、生态系统功能退化[3-4]，严重威胁人类健康。因此，治理氮素污染，保护生态环境成为亟需解决的问题。生物炭作为一种吸附剂因其环境友好、取材广泛而又操作简单受到研究者的广泛关注。生物炭是生物质在无氧或限氧条件下，经高温热裂解产生的一种难熔的、高度芳香化、富含碳素的固体物质[5]。生物炭作为一种新兴的环境功能材料，不仅制备原料来源广泛，而且孔隙结构发达，比表面积大，具有高度的生物化学稳定性和较强的吸附性能，在改善土壤质量，持留土壤养分，减少温室气体排放，治理土壤、水体重金属污染等方面均发挥着重要作用[6-9]。
不同类型的生物炭应用于氮素污染治理的研究已有不少报道。高德才等[10]与盖霞普等[11]将玉米秸秆生物炭按不同比例施入土壤中进行土柱模拟淋溶实验，结果表明玉米秸秆生物炭能延缓硝态氮和总氮的淋洗速度，生物炭添加质量分数2%以上时，可显著降低硝态氮淋洗。吴丹等[12]研究了牛粪生物炭对土壤氮肥淋失的抑制作用，结果显示土壤中添加牛粪生物炭可抑制氮肥淋失，且添加比例为4%~5%时，对土壤氮肥淋失的抑制效果最佳。Lehmann等[13]研究结果表明，在土壤中加入木质生物炭，能显著降低土壤中铵态氮的淋溶，提高作物的生物量及氮素吸收利用率。Ding等[14]认为，竹子制备的生物炭添加到土壤中，对土壤氮素的保持有潜在影响，在20 cm厚的土壤中添加0.5%的竹炭，铵态氮累积淋失量便可降低15.2%。目前，多数学者只针对单一种类生物炭进行研究，不同种类生物炭在不同环境不同添加量条件下对氮素淋失的抑制效果也各不相同，加上实验存在土壤介质的干扰，很难直观反应生物炭对氮素的吸附作用及实际过程，因而生物炭对氮素淋失的作用机制也难以全面概括。
因此，本文选择3种不同类型的生物炭，对其理化性质进行表征，设计生物炭与硝酸铵溶液中的氮进行固液吸附实验，排除土壤介质干扰，探究不同pH、反应时间、初始浓度及生物炭量条件对生物炭吸附氮的影响，并以等温模型与动力学模型探究生物炭吸附氮的机理，寻求具有最佳氮素吸附性能的生物炭材料，为生物炭应用于治理氮素污染提供理论依据，同时为生物炭的资源化利用提供参考。
1 材料与方法 1.1 实验材料吸附剂：分别为稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭，购自浙江省桐乡市华腾牧业有限公司。稻壳、山核桃壳和竹片是浙江省典型农业废弃物，3种生物炭采用限氧控温炭化法在500 ℃限氧环境下炭化3 h制得。将3种生物炭于烘箱中70 ℃烘干，磨细，过0.149 mm筛，贮存在干燥设备中备用，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭分别标记为DBC、SBC和ZBC。
吸附质：称取2.857 1 g硝酸铵(分析纯)于烧杯中，加适量蒸馏水溶解，转移至1 L容量瓶定容，即配制成含氮为1000 mg·L-1的硝酸铵储备液，将储备液逐级稀释至实验所需浓度待用。
1.2 生物炭理化性质表征①pH测定：称取1.00 g 3种生物炭分别溶于20 mL蒸馏水中，振荡10 min过滤，使用pH计(METTLER TOLEDO LE438)测定滤液的pH。②元素分析：使用元素分析仪(vario ISOTOPE CUBE)在炉温1150 ℃时测定生物炭的C、H、N、S含量，采用差减法计算O含量。③灰分测定：将生物炭置于马弗炉中，800 ℃敞口煅烧2 h，计算灰分。④生物炭的比表面积采用比表面积测定仪(Nova 2000e)用BET法测定；采用扫描电镜(HITACHI S-4800)和傅里叶红外光谱仪(Nicolet 380)测定表面形态和官能团结构。
1.3 吸附实验 1.3.1 pH对生物炭吸附氮的影响将硝酸铵储备液稀释至50 mg·L-1，调节pH为3、5、7、9、11。分别称取0.05 g稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭放入100 mL锥形瓶中，加入50 mL调节为不同pH值的溶液，放于摇床(ZWYR-2102C)上，在25 ℃、140 r·min-1的条件下振荡12 h后过滤，用TOC分析仪(multi C/N 3100)测定滤液中总氮的浓度，计算生物炭对硝酸铵中氮的吸附量，确定生物炭吸附氮的最适pH值。
1.3.2 反应时间对生物炭吸附氮的影响将硝酸铵储备液稀释至50 mg·L-1，调节至最适pH值。分别称取0.05 g稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭放入100 mL锥形瓶中，加入50 mL稀释至50 mg·L-1的溶液，在25 ℃，140 r·min-1的条件下分别振荡10 min和0.5、1、2、3、6、9、12 h，过滤，用TOC分析仪测定滤液中总氮的浓度，计算生物炭对硝酸铵中氮的吸附量。
1.3.3 初始浓度对生物炭吸附氮的影响依据水体[15]、土壤[16]氮素污染的浓度范围，设计吸附实验的初始浓度。将硝酸铵储备液分别稀释至10、20、50、80、100、300、500 mg·L-1，调节至最适pH值。分别称取0.05 g稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭放入100 mL锥形瓶中，加入50 mL稀释为不同浓度的溶液，在25 ℃、140 r·min-1的条件下振荡12 h后过滤，用TOC分析仪测定滤液中总氮的浓度，计算生物炭对硝酸铵中氮的吸附量。
1.3.4 生物炭量对生物炭吸附氮的影响依据生物炭在吸附污染物[17]时的用量，设计吸附实验的生物炭添加量。将硝酸铵储备液稀释至50 mg·L-1，调节至最适pH值。分别称取0.02、0.05、0.1、0.2、0.3、0.5 g稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭放入100 mL锥形瓶中，加入50 mL稀释至50 mg·L-1的溶液，在25 ℃、140 r·min-1的条件下振荡12 h后过滤，用TOC分析仪测定滤液中总氮的浓度，计算生物炭对硝酸铵中氮的吸附量。
1.4 生物炭吸附氮的等温吸附研究吸附等温线是描述吸附平衡浓度与吸附量之间关系的曲线。分别用Langmuir方程和Freundlich方程进行生物炭对氮的等温吸附研究[18]，Langmuir模型的等温方程如式(1)、(3)所示，Freundlich模型的等温方程如式(2)、(4)所示。
Langmuir方程：
(1) Freundlich方程：
(2) 将式(1)、式(2)转换成线性方程，分别为：
(3) 
(4) 式中：qe为平衡吸附量，mg·g-1；qmax为最大吸附量，mg·g-1；Ce为吸附后溶液的平衡浓度，mg·L-1；KL、KF、n为吸附常数。
1.5 生物炭吸附氮的动力学研究吸附动力学用来描述生物炭对氮的吸附速率，该速率决定了吸附的平衡时间。准一级动力学模型和准二级动力学模型的方程如式(5)、(6)所示[19]：
(5) 
(6) 式中：qt为t时刻的吸附量，mg·g-1；k1表示准一级吸附速率常数，min-1；k2表示准二级吸附速率常数，g·mg-1·min-1。
1.6 数据处理所有实验均重复3次，取平均值。生物炭对硝酸铵中氮的吸附量采用式(7)计算：
(7) 式中：C0为硝酸铵溶液中氮的初始浓度，mg·L-1；V为硝酸铵溶液的体积，L；M为生物炭质量，g。
数据计算采用Microsoft Office Excel 2013软件；图像处理采用Adobe Photoshop 7.0软件；作图采用Origin 8.5软件。
2 结果与讨论 2.1 生物炭理化性质分析 2.1.1 基本性质分析稻壳炭(DBC)、山核桃壳炭(SBC)和竹炭(ZBC)的基本理化性质如表 1所示。由表 1可知，3种生物炭均为碱性，这是由于生物炭中含有较多的盐基离子(如钙、钠、镁、钾等)和碱性基团[20]，也有人认为炭化过程中一些酸性官能团被热解，使H+以H2O的形式脱离炭体而导致生物炭呈碱性。不同生物炭的pH值不同，可能是由于它们中的矿质成分对碱性的贡献不同[17]。3种生物炭的元素含量由高到低均为C＞O＞H＞N，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭含碳量高达65.38%、61.03%和63.11%，但3种生物炭的各元素含量差异不大。H/C比值是表征吸附剂芳香性大小的重要指标，其值越小芳香性越高；O/C比值则表征吸附剂的亲水性大小，其值越大则亲水性越大。从表 1可以看出，H/C表现为稻壳炭＜山核桃壳炭＜竹炭，表明稻壳炭的芳香化程度最高；而O/C则表现为稻壳炭＜竹炭＜山核桃壳炭，表明稻壳炭的亲水性最小。灰分含量为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭，稻壳炭的灰分含量较高，表明其含有较多的矿物质。比表面积和总孔容可以表征生物炭的表面结构特征，由表 1可以看出，稻壳炭的比表面积与总孔容数值最大，其次是竹炭，山核桃壳炭最小，据此推断稻壳炭具有较好的吸附性能，竹炭和山核桃壳炭的吸附性能较差。
图 1为3种生物炭在不同放大倍数时观察到的扫描电镜图。由图 1a、图 1c、图 1e可知，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭表面形态呈现较大差异：稻壳炭表面质地紧密，而山核桃壳炭和竹炭表面比较疏松。整体来看，3种生物炭表面分布着不均匀的块状物质，其大小不一、形态各异，使生物炭表面拥有较大的比表面积，为吸附物质提供了良好场所。由进一步放大的SEM图(图 1b、图 1d、图 1f)可知，3种生物炭的表面褶皱密布，形成大量的孔隙结构，为负载物质提供了广阔空间。3种生物炭表面零星分布着一些碎屑状物质，可能是生物炭中灰分元素形成的盐晶体[21]，也可能是生物炭热解温度较高，原料受热释放热量，使内部孔道冲开，因而孔道分布变得无序，使生物炭表面更加粗糙。比较图 1b、图 1d、图 1f可知，稻壳炭表面最粗糙，竹炭次之，山核桃壳炭表面较光滑，这与表 1中3种生物炭的比表面积与总孔容的比较结果相一致。
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| 图 1 生物炭DBC(a、b)、SBC(c、d)和ZBC(e、f)的扫描电镜图 Figure 1 SEM micrographs of biochar DBC(a, b), SBC(c, d) and ZBC(e, f) |
傅里叶红外光谱能够定性分析生物炭的官能团组成，帮助了解生物炭的结构及性质。分析图 2可知，3种生物炭主要吸收峰的位置均出现在3405、1604及793 cm-1附近。其中3405 cm-1附近宽的吸收峰，是分子间氢键-OH的伸缩振动峰，这些羟基可能来源于有机物中的碳水化合物；1604 cm-1附近是芳香环中C=C、C=O的伸缩振动以及-COO-的反对称伸缩振动；793 cm-1附近为C-H面外弯曲振动峰，使生物炭具有明显的芳香结构。此外，区别于山核桃壳炭和竹炭，稻壳炭在1096、461 cm-1附近也出现了吸收峰。1096 cm-1附近是碳水化合物中C-O的伸缩振动；461 cm-1附近为Si-O伸缩振动峰，说明稻壳炭中含有一定量的硅，与表 1中测得的稻壳炭的灰分含量远大于山核桃壳炭和竹炭的结果相符。由红外光谱图可知，3种生物炭中的碳大多以双键、芳香环的结构存在，结构比较稳定，其表面丰富的羟基、羧基和羰基等化学官能团赋予了生物炭强大的吸附性能，使其能够作为吸附剂在环境污染防治方面得到广泛应用。
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| 图 2 生物炭红外光谱图 Figure 2 FT-IR spectra of biochar |
图 3反映了稻壳炭、山核桃壳炭与竹炭在不同pH环境下对氮的吸附量的变化规律。从图 3可以看出，当pH值为3~11时，3种生物炭对氮的吸附量均呈现先上升再下降的趋势。pH为3时，3种生物炭对氮的吸附量最少，这是由于此时溶液中H+含量高，H+与硝酸铵溶液中的NH4+相互竞争生物炭表面的吸附位点。随着溶液pH值的升高，3种生物炭对氮的吸附呈现递增的趋势，pH为9时，3种生物炭对氮的吸附量最多，分别为稻壳炭15.94 mg·g-1、山核桃壳炭8.53 mg·g-1、竹炭10.60 mg·g-1。这可能是由于pH为9的环境比较接近3种生物炭的pH值，在此环境中各含氧官能团能与NO3-产生更强的离子交换吸附作用[22]，使生物炭吸附更多氮素。当溶液pH过高(pH≥9)时，溶液中的氮多以NH3形式存在，碱性条件下NH3极易挥发[22]，而吸附量的计算主要以吸附前后溶液总氮浓度差为依据，没有考虑以NH3挥发损失的氮，而把NH3挥发损失的氮计入吸附量，造成单位吸附量偏高的假象，因此在实验过程中，吸附平衡溶液需要快速分析测试，以免造成较大实验误差。pH为11时，3种生物炭对氮的吸附量有所下降，这主要受溶液中H+和氮的形态影响。在pH值较高条件下，溶液中的氮以NH3·H2O为主要存在形式，离子态的NH4+减少，不利于氨氮的吸附[22]。姚旭[23]在研究水稻秸秆生物炭对氮素的吸附特征时发现，在pH为7时，水稻秸秆生物炭对氮素饱和吸附量最大，这是由于不同的原料、工艺、炭化温度均会影响生物炭的性质进而影响其吸附性能。此外，由图 3可知，当pH值为3~11时，3种生物炭对氮的吸附量表现为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭，这是因为与竹炭和山核桃壳炭相比，稻壳炭具有更大的比表面积与总孔容，且表面更加粗糙(图 4)，因此吸附性能更好，此结果与上文的预测一致。
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| 图 3 pH对生物炭吸附氮的影响 Figure 3 Effect of pH on the adsorption of nitrogen onto biochar |
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| 图 4 反应时间对生物炭吸附氮的影响 Figure 4 Effect of contact time on the adsorption of nitrogen onto biochar |
3种生物炭在不同反应时间对氮的吸附量的变化规律见图 4。由图 4可知，不同生物炭对氮的吸附变化规律相似，吸附量均随反应时间的延长先增加后趋于平衡。3种生物炭在吸附时间为3 h时达到吸附平衡，此时生物炭对氮的吸附基本达到最大吸附量，分别为稻壳炭16.23 mg·g-1、山核桃壳炭8.62 mg·g-1、竹炭10.56 mg·g-1。反应时间少于3 h时，生物炭对氮的吸附较快，吸附量持续增加，吸附3 h之后，吸附量增加缓慢，说明生物炭对氮的吸附是一个快速进行的过程。杜衍红等[24]与姚旭[23]在进行稻壳炭与水稻秸秆生物炭对氮素吸附特征的研究时，得到与本实验相同的结论。生物炭在较短时间内吸附较快是因为吸附初期硝酸铵溶液中氮的浓度最大，传质驱动力大[25]，且初期生物炭表面的吸附位点充足，生物炭表面的含氧官能团可与氮素进行最大面积的接触，静电吸附与阳离子-π作用同时进行，因此吸附速率较快。3种生物炭达到吸附平衡后对氮的吸附量表现为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭，进一步表明稻壳炭具有最好的吸附性能。阳离子-π作用是存在于阳离子和芳香性结构之间的相互作用[26]，π共轭芳香结构越多，该种作用越明显。由表 1可知，稻壳炭其有最高的芳香化程度，则其表面的芳香结构与NH3+的阳离子-π作用最强，因而在相同的反应时间内，稻壳炭可以吸附更多的氮素。
2.4 初始浓度对生物炭吸附氮的影响图 5反映了不同生物炭在不同的初始浓度下对氮的吸附量的变化规律。由图 5可知，3种生物炭对氮的吸附量先随初始浓度的增加而增加，之后趋于平缓。当氮的初始浓度为10~100 mg·L-1时，3种生物炭对氮的平衡吸附量随初始浓度的增大而增大；当氮的初始浓度大于100 mg·L-1时，3种生物炭对氮的平衡吸附量趋于稳定。这是因为当初始浓度达到100 mg·L-1之后，生物炭表面被氮素吸附质所覆盖，吸附位点达到饱和，生物炭表面的各种离子相互作用也达到了相对稳定的状态，即使增加溶液浓度，生物炭也因静电吸附和表面吸附能力有限而无法继续进行吸附行为。由于制备原料不同，生物炭在不同的初始浓度下对氮的吸附量表现出较大差异，总体来说吸附量表现为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭。分析其原因，除了稻壳炭具有较大的比表面积和孔隙结构及丰富的含氧官能团，其O/C比值所表征的亲水性大小也起到一定作用。生物炭的亲水性使水分子可以通过与含氧官能团之间的氢键作用吸附在其表面形成水膜，阻碍物质与吸附位点的有效接触[27]，分析表 1可知，稻壳炭的亲水性最小，不易被水膜阻碍吸附过程，从而使氮素能在稻壳炭丰富的孔隙结构内实现吸附固定，使其吸附量高于山核桃壳炭和竹炭。当氮的初始浓度＜50 mg·L-1时，3种生物炭对氮的吸附量差异不大，可能是因为溶液初始浓度较低，生物炭吸附位点较充足，使生物炭可以对氮素进行较完全的吸附。张继义等[28]的研究同样表明初始浓度为100 mg·L-1时，小麦秸秆生物炭对氮的吸附量最大。
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| 图 5 初始浓度对生物炭吸附氮的影响 Figure 5 Effect of initial concentration on the adsorption of nitrogen onto biochar |
图 6反映了不同生物炭在添加量不同时对氮的平衡吸附量(图 6a)与单位吸附量(图 6b)的变化规律。从图 6a可以看出，随生物炭量增加，3种生物炭对氮素的平衡吸附量呈递增趋势，且同一生物炭量水平下，平衡吸附量表现为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭。这是因为在等体积的溶液中生物炭添加量增加，生物炭表面的含氧官能团(-OH、-COOH)相应增加，在溶液中生物炭表面的含氧官能团与极性硝酸铵溶液相互作用形成离子键，从而增强吸附能力[29]，使生物炭对氮的平衡吸附量递增。由图 6b可知，随生物炭量的增加，3种生物炭对氮素的单位吸附量呈递减趋势，这是由于随生物炭添加量增多，虽然提供了更多生物炭的有效吸附位点，但因离子间较弱的静电相互作用，使吸附位点未达到饱和状态，无法被充分利用[30]。生物炭对氮素在同一生物炭量水平下的单位吸附量表现为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭。这是由于稻壳炭灰分含量较高，且分析红外光谱图可知，稻壳炭含有一定量的矿物质硅，因而导致其具有更好的吸附性能。分析单位吸附量可知，生物炭量为0.02 g时具有最好的吸附效果。
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| 图 6 生物炭量对生物炭吸附氮的影响 Figure 6 Effect of biochar rates on the adsorption of nitrogen |
Langmuir模型表示在均质表面上吸附单分子层并且彼此没有相互作用，且当吸附剂表面饱和时，吸附量达到最大；Freundlich模型通常用于描述在非均质表面上的多分子层吸附，此模型适用于物理和化学等多种情况的吸附[18]。分别用Langmuir方程和Freundlich方程对吸附实验的数据进行拟合，等温拟合曲线如图 7所示，各拟合参数如表 2所示。
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| 图 7 生物炭对氮的Langmuir吸附等温线(a、c、e)与Freundlich吸附等温线(b、d、f) Figure 7 Langmuir(a, c, e) and Freundlich(b, d, f) isotherm of nitrogen adsorption onto biochar |
由图 7可知，3种生物炭对氮的吸附更符合Langmuir模型。进一步分析两个方程的等温吸附模型拟合参数可知，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭的Langmuir等温吸附方程的R2分别为0.993、0.985、0.989，均大于Freundlich等温吸附方程的R2，说明Langmuir等温吸附模型能更好地描述3种生物炭对氮的吸附特征，表明这3种生物炭的吸附行为主要是单分子层吸附。吸附剂的吸附性能还可以用Langmuir方程中的常数KL来表征，分为：不利吸附(KL＞1)；有利吸附(0＜KL＜1)；线性吸附(KL=1)；不可逆吸附(KL=0)[31]。KL值越大，表明吸附剂与吸附质结合的稳定性越强[32]。由表 2可知，3种生物炭的KL值均在0~1之间，说明吸附过程为有利吸附。3种生物炭的KL值大小顺序为稻壳炭＞竹炭＞山核桃壳炭，表明稻壳炭与氮素的结合稳定性更强。Freundlich模型中，1＜n＜10为有利吸附，n值越大说明吸附剂和吸附质之间的联系越紧密[31]。本实验中，3种生物炭的n值均在1~10之间，为有利吸附，且稻壳炭的n值最大，表明其与氮素的结合能力最强。qmax代表最大吸附量，是吸附剂吸附性能的重要指标。稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭的最大吸附量分别为26.903、14.550 mg·g-1和19.646 mg·g-1，与实验值(图 5)较接近，表明3种生物炭对氮的吸附符合Langmuir模型。马锋锋等[25]与武丽君等[32]研究则表明牛粪生物炭、玉米秸秆和玉米芯生物炭对氮的吸附均符合Freundlich等温吸附方程，生物炭对氮的吸附为多分子层吸附过程，与本实验结果不同的原因可能是不同原料不同制备方式生产的生物炭结构与表面官能团不同，从而使其吸附性能有所差异。有研究表明，水稻秸秆生物炭[23]、小麦秸秆生物炭[28]、玉米秸秆及玉米芯生物炭[32]对氮的最大吸附量分别为0.5、11.19、5.05 mg·g-1和4.69 mg·g-1，均低于本实验3种生物炭对氮的最大吸附量，表明本实验3种生物炭是颇具应用潜力的吸附材料。
2.7 生物炭吸附氮的动力学研究分别用准一级动力学模型和准二级动力学模型对吸附实验的数据进行拟合，分析硝酸铵溶液中生物炭对氮的吸附动力学行为，拟合曲线如图 8所示，各拟合参数如表 3所示。分析图 8和表 3可知，准二级动力学模型能更好地描述3种生物炭对氮的吸附动力学过程。比较2种模型的拟合参数可知，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭的准二级动力学方程的R2分别为0.998、0.999和0.999，均大于准一级动力学方程的R2，且准二级动力学方程计算的理论吸附量qe更接近实际吸附量。而准一级动力学方程的拟合参数较低，不能很好地描述生物炭对氮素的吸附动力学过程。这是因为准一级动力学方程有其局限性，通常只适合描述初级阶段的动力学过程，不能准确描述吸附的全过程。而准二级动力学模型包含了吸附的所有过程，可以更真实全面地反映吸附剂对吸附质的吸附过程[33-34]。因此推断，3种生物炭对氮素的吸附主要为化学吸附，吸附过程主要在生物炭表面进行。表面吸附是吸附质在生物炭这种具有丰富官能团和巨大比表面积的材料表面吸附位点上富集的现象[35]，结合以上分析可知，稻壳炭、山核桃壳炭与竹炭可以有效地吸附大量氮素，主要是产生了表面吸附作用。此外，生物炭表面丰富的含氧官能团与溶液中的NH4+、NO3-通过静电吸附作用结合成离子键，也是生物炭具有良好吸附性能的重要原因。马锋锋等[25]、张继义等[28]、武丽君等[32]在研究生物炭对氮的吸附特征时均得到与本实验相同的结论。
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| 图 8 生物炭吸附氮的准一级(a、c、e)和准二级(b、d、f)动力学模型 Figure 8 Pseudo-first order kinetics sorption(a, c, e) and pseudo-second order kinetics sorption models(b, d, f) of nitrogen adsorption onto biochar |
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本实验所选的3种生物炭在pH值为9、吸附时间为3 h、初始浓度为100 mg·L-1、生物炭量为0.05 g时，吸附效果最好；3种生物炭相比较，稻壳炭对氮素具有最佳的吸附效果，在氮素污染治理中作为吸附剂具有良好的应用前景。
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