水中氮磷超標(biāo)會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化,污染環(huán)境,破壞生態(tài)平衡,威脅人類生命。但是,氮磷又是植物生長所必須的營養(yǎng)元素,亟需尋找一種將水中氮磷轉(zhuǎn)移到固相中的方法。本文以廢棄生物質(zhì)經(jīng)原位熱解所快速所制備粉末生物質(zhì)炭為吸附劑,對水中的富營養(yǎng)元素(氮磷)進(jìn)行流態(tài)化吸附,實(shí)現(xiàn)氮磷元素從液相到固相的有效富集,最后將富含碳、氮、磷的生物質(zhì)炭作為肥料返回土壤,最大程度地促進(jìn)碳、氮、磷元素的宏觀循環(huán),提高了循環(huán)效率,減少了廢棄生物質(zhì)的處理能耗及對環(huán)境的污染。本研究考察了粉末生物質(zhì)炭對水中氮磷的靜態(tài)吸附性能,研究了吸附氮磷后的生物質(zhì)炭(NxPy@C)在模擬土壤水環(huán)境中的解吸性能,探究了 NxPy@C作為緩釋肥的可行性。為了進(jìn)一步提升生物質(zhì)炭對氮磷的富集作用,設(shè)計(jì)了一種簡單的流態(tài)化裝置,并通過CFD對自制流態(tài)化裝置中生物質(zhì)炭-水的固液兩相流進(jìn)行了初步數(shù)值模擬分析。1.本文對粉末生物質(zhì)炭靜態(tài)吸附水中氮磷的性能進(jìn)行了探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,椰殼生物質(zhì)炭(CAC)和木質(zhì)生物質(zhì)炭(WAC)對水中磷酸鹽和硝酸鹽具有良好的吸附性能,吸附60 min后達(dá)到平衡。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),初始濃度越大,生物質(zhì)炭的投加量越小,生物質(zhì)炭的粒徑越小,吸附溫度越高,pH為6-7(pH偏弱酸性)時(shí),生物質(zhì)炭對磷酸鹽(硝酸鹽)的單位吸附量越大。溶液中其他離子的存在也會影響吸附效果,NH4+促進(jìn)生物質(zhì)炭對磷酸鹽或硝酸鹽的吸附,而NO3-(P043-)、S042-、C032-會抑制生物質(zhì)炭對磷酸鹽或硝酸鹽的吸附。由動力學(xué)和等溫線模型的構(gòu)建可知,CAC、WAC對磷酸鹽的吸附過程更適合用Freundlich模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型來描述,CAC、WAC對硝酸鹽的吸附過程更適合用Langmuir模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型來描述。由Langmuir模型可知,CAC、WAC在30℃條件下對磷酸鹽的最大單位吸附量分別為1.38 mg/g、1.37 mg/g,對硝酸鹽的最大單位吸附量分別為0.40 mg/g、0.31 mg/g。由熱力學(xué)分析可知,CAC和WAC對水中磷酸鹽和硝酸鹽的吸附過程是一個(gè)自發(fā)、熵增的吸熱過程,由多種機(jī)理(如液膜擴(kuò)散和表面吸附等)共同作用。CAC和WAC依靠范德華力、靜電力、形成氫鍵、離子交換等方式吸附水中磷酸鹽和硝酸鹽。2.本文對NxPy@C在模擬土壤水環(huán)境中的解吸過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,CAC、WAC對硝酸鹽的解吸在60 min基本達(dá)到平衡;對磷酸鹽的解吸在90 min基本達(dá)到平衡。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),解吸溫度越高,水質(zhì)pH偏堿,固液比越小,生物質(zhì)炭對氮磷兩種物質(zhì)的解吸效果越好。另外,實(shí)際解吸條件還需考慮植物的生長及其他因素。CAC、WAC對磷酸鹽的解吸過程更適合用Freundlich模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)模型來描述,CAC、WAC對硝酸鹽的解吸過程更適合用Langmuir模型和準(zhǔn)二級動力學(xué)來描述。通過Langmuir模型,可以計(jì)算出CAC、WAC在30℃條件下對磷酸鹽的最大殘余量分別為1.004 mg/g、0.886 mg/g,對硝酸鹽的最大殘余量分別為0.351 mg/g、0.240 mg/g。生物質(zhì)炭表面的磷酸鹽和硝酸鹽依靠氫鍵斷裂、離子交換、擴(kuò)散作用等方式解吸到模擬土壤水環(huán)境中。3.本文以粉末生物質(zhì)炭為固相,以水為液相,通過實(shí)驗(yàn)及相關(guān)公式計(jì)算臨界流化速度(0.261 cm/s)和帶出速度(22.584 cm/s),從而確定流態(tài)化裝置D=0.20 m,高度H=1.0 m,出口處為漸縮型,出口處直徑D出=0.1 m,高度H出=0.15 m。利用CFD對自制流態(tài)化裝置中固液兩相的流動過程進(jìn)行模擬,液相流動采用k-ε湍流模型,水-粉末生物質(zhì)炭兩相流動采用歐拉-歐拉雙流體模型代,液固兩相間曳力采用Gidaspow模型,探究固含率及顆粒速度分布狀況。模擬結(jié)果表明,流態(tài)化裝置中,固含率和生物質(zhì)炭的流速均沿中心軸承對稱分布,受循環(huán)流動區(qū)域的影響,沿X軸和Y軸方向均呈現(xiàn)不均勻分布。生物質(zhì)炭粉末流速的不均勻分布,導(dǎo)致近壁面處出現(xiàn)循環(huán)流動,固含率不均勻性增加。綜上,生物質(zhì)炭對水中的磷酸鹽和硝酸鹽具有較好的吸附-解吸能力,采用流態(tài)化裝置進(jìn)一步提升了其吸附性能,使得NxPy@C可作為肥料返回土壤,更好地完成碳循環(huán)。本研究為處理廢棄生物質(zhì)及提升碳循環(huán)效率提供了新思路,為進(jìn)一步探究提供了理論支持。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O647.3;TK6;X52
【部分圖文】：

第１章緒論??第１章緒論??１．１課題背景及意義??碳元素隨著地球的運(yùn)動，在生物圈、巖石圈、水圈和大氣圈中循環(huán)交換的現(xiàn)??象稱為碳循環(huán)｜１］，如圖１－１所示，主要包括綠色植物光合作用將水和大氣中??的二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖并釋放出氧氣，有機(jī)體再將葡萄糖轉(zhuǎn)化成其他有機(jī)化合??物；有機(jī)化合物又經(jīng)食物鏈傳遞到動物、細(xì)菌等其他生物體中；生物呼吸作用將??一部分有機(jī)化合物分解為二氧化碳和水，為有機(jī)體代謝提供能量。??自然界中絕大部分的碳分布在地殼中，與大氣、海洋及生物圈之間的交換遷??移受地球生物化學(xué)循環(huán)控制［３］。簡單來說，巖石中的碳經(jīng)過人為或自然的各種物??理化學(xué)作用進(jìn)入海洋和大氣［４］，與此同時(shí)包括各種生物遺體在內(nèi)的含碳物質(zhì)，通??過漫長的沉積作用，回到巖石圈中［５］，這是全球碳循環(huán)的重要組成部分。??其中，植物的樹葉、枝干以及果核等進(jìn)入土壤是一個(gè)漫長的過程，這導(dǎo)致每??年都會有大量的農(nóng)林廢棄物無處安放，如果對其進(jìn)行焚燒，污染生態(tài)環(huán)境，增加??能源消耗，造成資源浪費(fèi)。因此，亟待尋找一種促進(jìn)農(nóng)林廢棄物參與碳循環(huán)的辦??法。??．Ｖ’?ｍ??ｉｆ?＾?＾?Ｉ??Ｖ?＼?＊??動植物的遺體或排出物?、＇??煤等??圖１－１碳循環(huán)??１??

圖１－２論文研宄思路??粉狀生物質(zhì)炭流態(tài)化吸附水中氮磷及其解吸性能探究??

＿?＿ｉ?襲丨丨峰：??ｉ／．ｉｆｅｉ?，ｒｉ?１?ｉ??Ｉ；?＾?｜?�。。�?０?｜??�。∧X十??、：、、？究內(nèi)容?ｒ料力１?ｉ??、：二??＇??圖１－２論文研宄思路??
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本文編號：2867131