活性炭磁化后對土壤中銨的吸附

　　土壤健康是糧食安全問題的重中之重，農(nóng)業(yè)土壤的退化和污染被認(rèn)為與氣候危機(jī)和生物多樣性喪失一樣嚴(yán)重。化肥過度使用會導(dǎo)致土壤中活性氮形式的積累銨(NH4+)、亞硝酸鹽(NO2-)和硝酸鹽(NO3-)。這些化合物可以從土壤中浸出或徑流，污染地表水和地下水。新型的土壤修復(fù)策略是使用活性炭吸附劑，因為它們的物理化學(xué)特性允許吸附多種類型的污染物，并且它們的生產(chǎn)方法相對簡單且便宜。為了方便吸附后的回收，我們通過其表面的氧化鐵浸漬來磁化活性炭，受存在的磁性活性炭和浸漬方式的影響，從而導(dǎo)致吸附含氮污染物的機(jī)制和能力發(fā)生變化。活性炭磁化后可以極大地拓寬活性炭的應(yīng)用范圍，還可以通過磁分離從介質(zhì)中去除。

　　用于土壤除銨的磁性活性炭合成

　　活性炭是由有機(jī)物在缺氧或幾乎缺氧條件下熱分解產(chǎn)生的。該過程被廣泛稱為“熱解”，但除了可以使用的一系列原料和其他處理方法之外，還有多種條件可以發(fā)生熱解。任何這些條件、處理或原料的變化都可能對活性炭產(chǎn)品的物理和/或化學(xué)性質(zhì)(例如孔隙率、表面積、可用官能團(tuán)和pH值)產(chǎn)生顯著影響，從而提高或降低吸附或其他應(yīng)用程序。因此，了解這些條件對于開發(fā)用于銨吸附的活性炭至關(guān)重要。

　　圖1：活性炭生產(chǎn)概述，包括可能的原料和熱解方法的非詳盡示例，以及可能發(fā)生的銨吸附機(jī)制的范圍。

　　磁化方法

　　可以使用各種技術(shù)來磁化活性炭，但主要使用兩種方法共沉淀和鐵溶液預(yù)處理。前者通常在熱解之后進(jìn)行，由此氧化鐵在堿性條件下沉淀到活性炭表面氫氧化物離子與鐵離子反應(yīng)形成中間產(chǎn)物，然后反應(yīng)形成磁鐵礦。后者往往發(fā)生在熱解之前，原料首先用鐵溶液在短時間內(nèi)飽和，然后在熱解過程中形成磁性活性炭顆粒。開發(fā)用于土壤修復(fù)的活性炭突然改良劑的一個主要動機(jī)是有可能將污染物從它們長期存在的地方去除，并將它們重新分配到可能從中受益的地區(qū)，從而支持肥料管理和凈零和循環(huán)經(jīng)濟(jì)倡議。

　　活性炭對銨的吸附

　　多項研究考慮了活性炭的銨吸附能力在液體介質(zhì)中。得出結(jié)論，吸附的主要機(jī)制源于活性炭官能團(tuán)，而不是表面積和孔隙率。低溫?zé)峤獾幕钚蕴勘Ａ袅搜豕倌軋F(tuán)，通過靜電吸引和氫鍵改善了銨的吸附。使用傅里葉變換紅外FTIR分析表明，隨著溫度的升高，對應(yīng)于羧基和羥基的峰會下降，這證明了低熱解溫度會由于保留含氧基團(tuán)而改善銨吸附。

　　活性炭與土壤的磁分離

　　解吸后，活性炭可以再生，可以用于連續(xù)幾輪的吸附-解吸處理。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)表明經(jīng)過解吸從活性炭中解吸了84.1%的Pb(II)，發(fā)現(xiàn)在隨后的六輪吸附-解吸中，吸附效率保持接近原始水平。還發(fā)現(xiàn)表面積和孔體積增加，F(xiàn)TIR波段沒有顯著變化，這表明重要的物理化學(xué)性質(zhì)沒有受到影響。此外，磁性似乎也沒有受到影響。雖然活性炭已被用作原位固定的土壤污染物修復(fù)材料，但很少有研究調(diào)查活性炭從農(nóng)業(yè)土壤中吸附和去除污染物的潛力。磁性活性炭常見的用途是用于廢水處理，因為帶有磁性非常方便吸附后的分離。然而，從土壤中去除含有污染物的活性炭也具有類似的優(yōu)勢，通過磁性也可以防止污染物重新釋放回土壤，磁性活性炭可以回收進(jìn)一步使用，并且可以提取污染物在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中再利用。例如，硝酸鹽、銨鹽和磷酸鹽可以回收用于肥料。

　　圖2：土壤修復(fù)后磁性活性炭和銨鹽的兩種循環(huán)利用途徑。

　　活性炭磁化后對土壤中銨的吸附，雖然廣泛的研究已被用于表征磁性活性炭并研究其在水環(huán)境中的吸附能力，但也有很多領(lǐng)域上使用活性炭作為土壤改良劑。近期，越來越多的研究對土壤中未改性的活性炭進(jìn)行了實驗，雖然磁性活性炭會產(chǎn)生不同的生化效應(yīng)，但是確實能對土壤進(jìn)行改良。對活性炭引起的土壤特性變化對于確定其對更廣泛的土壤參數(shù)的影響至關(guān)重要，例如養(yǎng)分循環(huán)、生物多樣性和植物健康等這也是未來的研究路線。

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