载镁木质生物炭的制备及其回收水体中磷的研究外文翻译资料

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专 业 给水排水工程

Investigations on phosphorus recovery from aqueous solutions by biochars derived magnesium-pretreated cypress sawdust

Abstract：The ability of biochars, derived from the pyrolysis at 400℃; 500℃ and 600℃ of pretreated cypress sawdust with 20 wt% magnesium chloride (MgCl₂) solutions, in recovering phosphorus from aqueous solutions was investigated under various experimental conditions in batch mode. The experimental results indicated that cypress sawdust pretreatment with MgCl₂ induced important modifications of the physical and chemical biochars properties favoring phosphorus recovery from the used synthetic solutions. Moreover, phosphorus recovery efficiency increased with the increase of the used pyrolysis temperature. Indeed, for an aqueous pH of 5.2 and a phosphorus concentration of 75 mg/L, the recovered amounts increased from 19.2 mg/g to 33.8 mg/g when the used pyrolysis temperature was raised from 400℃ to 600℃. For all the tested biochars, the phosphorus recovery kinetics data were well fitted by the pseudo-second-order model, and the equilibrium state was obtained after 180 min of contact time. Furthermore, the phosphorus recovery data at equilibrium were well described by the Langmuir model with a maximal recovery capacity of 66.7 mg/g for the magnesium pretreated biochar at 600℃. Phosphorus recovery by the used biochars occurred probably through adsorption onto bio-chars active sites as well as precipitation with magnesium ions as magnesium phosphates components. All these results suggested that biochars derived from MgCl₂ pretreated cypress sawdust could be considered as promising materials for phosphorus recovery from wastewaters for a possible further subsequent use in agriculture as amendments.

Keywords: Cypress sawdust，Impregnation， Magnesium salts， Phosphorus， Recovery， Desorption， Mechanisms

载镁木质生物炭的制备及其回收水体中磷的研究

摘要：生物炭的能力来源于400℃热解; 在不同的实验条件下以间歇模式研究了500℃和600℃温度下用20％质量分数氯化镁（MgCl ₂）溶液预处理的柏木屑在水溶液中回收磷的情况。 实验结果表明，用MgCl₂对柏木木屑的预处理引起重要的物理和化学生物炭的性质改变，该改变有利于从使用的合成溶液中回收磷。此外，随着热解温度的升高，磷回收效率也随之提高。 事实上，对于pH值为5.2和75mg / L的磷浓度的水溶液，当热解温度从400℃升高到600℃时，回收量从19.2mg /g 到33.8mg/g。对于所有测试的生物炭，磷回收动力学数据均通过伪二阶模型拟合，并且在接触时间180分钟后获得平衡状态。 此外，Langmuir模型很好地描述了平衡状态下的磷回收数据，在600℃下镁预处理的生物炭最大回收量为66.7 mg / g。所使用的生物炭的磷回收可能是通过吸附到生物炭的活性位点上以及镁离子如磷酸镁成分的沉淀而发生的。所有这些结果表明来源于MgCl ₂预处理的柏木屑的生物炭可被认为是用于从废水中回收磷的有前途的材料作为在农业上进一步后续使用的可能的修正案。

关键词：柏木屑，浸渍，镁盐，磷，回收，解吸，机理

1.前言：

从农业和城市活动排放的废水通常含有丰富的磷化合物（Li et al.，2016）。磷（P）可能是淡水资源的潜在污染物，因为它可能造成水生环境的富营养化并可能对于水生生物具有毒性（Zhang et al.，2012）。与此同时，作为食品生产必不可少的元素，磷是地球上的有限资源，在未来的100年内可能会被耗尽。在这种情况下，施罗德 et al.（2011）估计2035年将是磷酸盐供不应求的日期。 因此，为了保护环境并平衡高品质磷矿石的剧烈耗竭，从废水中回收磷已成为必要手段。许多磷的回收方法，如化学沉淀，化学结晶作为鸟粪石，生物吸收以及从天然和改性材料的吸收已经在过去几十年中得到发展和测试。化学沉淀和结晶工艺的缺点是耗费昂贵的化学品和会产生大量的污泥（Nguyen et al.，2014）。 同样，由于培养适应性微生物的困难性以及缺乏其生长所需的足够碳含量，生物磷的积累可能会大量减少（Rittmann et al.，2011）。通过从天然/改性材料和废物中吸收的磷回收已被确定为一个很有前途的研究课题，因为它具有低廉的试剂和能耗的优点，并且提供了含磷产品在农业中作为肥料使用的可能性（Vohla et al。 ，2011）。已经测试了几种矿物和有机天然材料从合成溶液或真正的城市/工业废水中回收磷的效果，如粉状大理石废物（Jaouadi et al.，2014; Haddad et al.，2015），磷酸盐矿泥（Jellali et al. 2010年），阿勒颇松木屑（Benyoucef和Amrani，2011年）和Posidonia Oceanica纤维（Jellali et al.，2011年）。这些研究表明，与矿物产品相比，原始有机材料不足以回收磷。 事实上，碱性pH和富钙矿物能够取得最高的磷回收率如海泡石（Yin et al。，2013），蟹壳（Jeon and Yeom，2009）和煅烧的粉状大理石废物（Haddad et al。，2015年）。因此，迫切需要开发新型，低成本和环保的有机材料，这种材料可以有效地应用于低浓度和高浓度含磷废水的磷回收，然后在农业中作为肥料进行增值。

生物炭是通过有机农业和动物生物质的热稳定化生成的富含碳的固体产物（Kung et al.，2014）。 由于它们的稳定性和吸附性强的物理化学性质，生物炭已被有效地应用于固碳（Lehmann et al.，2011），温室气体减排（Wang et al.，2013），土壤质量和作物产量的改善（Zheng et al 。，2013）和环境污染控制（Tan et al.，2017）。因此，为了确保可持续的废物管理和环境保护（Cao和Harris，2010; Jellali et al.，2016），使用生物炭作为有效的溶解污染物吸附剂可能是一个很有前途的解决方案。 为了提高生物炭在去除和/或回收污水中污染物的效率，过去十年来，通过物理和/或化学改性来提高其性能已经取得了巨大的科学成果（Inyang et al.，2014; Mohan et al.，2014）。所测试的方法包括蒸汽活化（Inyang et al.，2014），以及用矿物功能添加剂如铝，铁，钙和镁预浸渍生物质（Zhang et al.，2012; Zhang and Gao，2013; Wang et al.，2015a，b）。通过热解生物和盐预浸渍生物质取得的特定生物碳从水溶液中回收磷的能力评估已经证明了这种化学修饰在特定物理化学条件下有提高磷吸收的作用（Fang et al 。，2014; Chen et al.，2011; Wang et al.，2015a，b）。然而，据我们所知，文献中没有关于镁预处理柏木屑生物炭特性与不同热解温度下磷回收率和释放效率相关性的研究。

在这篇论文中，用400〜600℃温度范围内的镁预处理过的松柏木屑慢速热解制备的生物炭，首先用特定仪器进行了良好的表征，然后在各种实验条件下进行磷回收和脱附测试。 这项工作的主要目标是：（1）检查预处理步骤与氯化镁对不同热解温度下生产的生物炭的主要物理化学特性的影响，（2）评估接触时间，初始磷浓度 ，pH溶液，生物炭剂量和其他阴离子污染物对磷回收效果的影响，（3）进一步了解潜在的回收机制和（4）研究测试生物炭的磷释放及其在农业上再利用的影响。

2.材料和方法：

2.1.生物碳的准备

本工作中使用的原木柏木屑（RCS）取自位于突尼斯东北部城市Menzel Bouzelfa的木工厂。 RCS原料首先风干10天直到恒重并筛分为2mm粒径。然后，RCS通过将40g RCS浸入400mL 20wt％氯化镁溶液中进行化学改性（MgCl₂·6H2O）。所得混合物在室温下搅拌4小时。 过滤后，镁浸渍样品在60℃烘箱中干燥24小时，所得固体样品称为“镁预处理柏木屑（CS-Mg）”。 之后，经预处理的柏木屑在固定床不锈钢反应器中热解，其长度为30厘米，直径为15厘米。在热解试验过程中，将600克CS-Mg置于反应器中，用电炉从室温加热至所需温度（400℃; 500℃和600℃），速度为5℃/ min，氮气流量为0.5 L / min。关于该反应器的更多细节由Kraiem et al.提供。（2015年）。在热解操作结束时，当温度变得与环境温度相 et al.时，生物碳从反应器中回收。 在400， 500和600 摄氏度下生成的生物碳分别标记为B-Mg400，B-Mg500和B-Mg600，用于研究从水溶液中回收磷和释放。

2.2.生物碳的表征

在给定的热解温度下，生物炭产量（Y_biochar）被确定为收集的生物炭重量（M_biochar（g））与镁预处理过的柏木屑重量（M_biomass（g））之间的比例，如下：

根据ASTM D 1762-84（ASTM，2013）中的标准方法进行近似分析，包括挥发性物质（VM），固定碳（FC）和生物炭中的灰分。

所研究的生物炭的零点电荷的pH值（pH_ZPC）根据使用0.01M NaCl溶液，1g固体基质的初始pH值在2和12之间变化的固体添加法确定（Jellali et al.，2010）。

生物炭的表面化学是通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，使用带有IFTR-BX的Perkin Elmer装置的KBr方法提供的。 所有生物炭样品在与KBr混合之前都要小心干燥，以避免因水分的存在而产生的额外影响。 相关的光谱分辨率为1 cm^-1，在400和4000 cm^-1之间测得。

通过X射线衍射分析（PW 1710），评估了被测生物炭中任何晶体结构的可能存在。 此外，生产的生物炭的矿物含量通过配备有铑靶X射线管和4kW发生器的X射线荧光分光光度计（XRF：Philips PW2540）来量化。 在此分析过程中，将100mg所使用的生物炭磨碎并与200mg硼酸混合，然后在1

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