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不同Mg/Al比例的Mg/Al层状双氢氧化物功能化生物炭增强对磷酸盐的吸附
作者: 李荣华；作者声明：James J.周宝岳；Mukesh Kumar Awasthi；Amjad Ali；张增强；作者声明：Robert A.文章题目：Altaf Hussain Lahori；阿马努拉·马哈尔
作者背景: 西北农工大学自然资源与环境学院，杨凌，712100；路易斯安那州立大学农业中心植物、环境和土壤科学学院，巴吞鲁日，洛杉矶70803，美国；印度萨特纳友好知识解决大学生物技术系；信德大学环境科学中心，贾姆肖夫，76080，巴基斯坦
重点
bull;制备了Mg/Al比为2、3和4的Mg/Al-LDHs改性生物炭。
bull;改性显著改善了生物炭的磷酸盐吸附性能。
bull;较高的Mg/Al比增加了LDHs层间空间和生物炭对磷酸盐的吸附。
bull;pH值为3时，4:1 Mg/AlLDHs生物炭的最大吸附量为81.83 mg P/g。
bull;无机阴离子降低了磷酸盐的吸附量，顺序为F-gt;SO42-gt;NO2-gt;Cl-。
摘要
Mg/Al比对Mg/Al层状双氢氧化物（Mg/Al-LDHs）改性生物炭的阴离子吸附有重要影响。采用共沉淀法制备了不同Mg/Al比（2，3，4）的Mg/Al-LDHs生物炭，用于水溶液除磷。通过间歇实验，考察了Mg/Al比、pH值及其它无机阴离子的存在对磷吸附的影响。Mg/Al-LDHs生物炭复合材料中Mg/Al比的增加通常增强了磷酸盐的吸附，Langmuir吸附最大值为81.83 Mg P/g 4:1 Mg/Al-LDHs生物炭（pH3.0）。吸附过程最好用拟二级动力学模型来描述。溶液pH值对Mg/Al-LDHs生物炭复合材料对磷酸盐的吸附有较大影响。其他无机阴离子的存在降低了磷酸根的吸附效率，其顺序为F-gt;SO42-gt;NO2-gt;Cl-。磷酸根的吸附机理包括离子交换、静电吸引和表面内球络合物的形成。总之，Mg/Al-LDHs生物炭复合材料为碳基吸附剂从水溶液中除磷提供了一种潜在的替代方法。
1.背景介绍
生物炭是一种富含碳的多孔固体材料，具有高比表面积、高孔隙率和稳定的碳基体等广泛的性能。通常通过热解工艺在有限的氧气条件下通过植物和动物废物生物质的热化学转化制备（Ahmad et al.，2014；Xiao et al.，2015）。生物炭被认为是一种重要的富碳固体生物质，用于生物能源、废物管理、场地修复、减缓气候变化和土壤肥力（Jeong et al.，2012；2016；Ahmad et al.，2014；Li et al.，2015；Zhang et al.，2016）。此外，生物质生物炭可以吸附重金属离子和有机污染物，因为其碳基结构中存在许多官能团，包括酚、羧基和羟基（Bogusz et al.，2015；Han et al.，2016；Jeong et al.，2012）。生物炭是环境友好的，具有极好的稳定性，并且容易制备；它作为原料也很容易获得。因此，基于这些方面，生物炭被认为具有巨大的农业和环境应用潜力（Ahmad et al.，2014；Han et al.，2016；Mohan et al.，2014）。然而，生物炭主要具有净带负电荷的表面，仅提供有限的能力来吸附废水中常见的阴离子污染物（Han et al.，2016；Mohan et al.，2014；Mukherjee et al.，2015）。因此，对生生物炭进行改性或功能化以提高对阴离子污染物的亲和性已成为扩大生物炭技术应用的重要实践（Chen等人，2011；Han等人，2016；Jung等人，2016；Wang等人，2015）。
层状双氢氧化物（LDHs）是一种具有较大阴离子吸附能力的阴离子粘土。LDHs的一般化学组成可以在式[M2 （1-alpha;）N3 （OH）2]alpha; [An-]alpha;/nbull;mH2O中描述，其中M2 是二价阳离子（Mg2 、Zn2 、Mn2 、Co2 、Ni2 、Cd2 等），N3 是三价阳离子（Al3 、Fe3 、Cr3 、Ga3 等），An-是层间阴离子（CO32-、SO42-、NO3-、Cl-、OH-等），alpha;是N3 /（M2 N3 ）的比值。LDHs是一种主客体材料，由带正电的金属氢氧化物片、阴离子和水分子组成。LDHs具有易于交换的层间离子和较大的表面积，表现出可接受的阴离子污染物吸附能力（Goh等人，2008）。尽管LDH在自然环境中的储量非常有限，但在实验室中很容易制备（Zhang等人，2009）。
磷酸盐（PO43-）是一种重要的营养物质，在许多水环境中是导致富营养化加速的主要原因。磷酸盐污染导致与水处理相关的成本增加，降低水道的娱乐价值，并导致有害藻华的形成，这些藻华可能因产生蓝耳毒素而对人类健康构成风险（Lalley等人，2016）。因此，水生生态系统中磷酸盐的修复是一个日益受到关注的环境问题。最近，Fang et al.（2015）使用二元阳离子（Mg2 和Ca2 ）溶液浸泡生玉米芯粉末，并分别在350℃、450℃和600℃下制备载Ca-Mg生物炭。Jung等人（2015年）在酸性MgCl2溶液（pH 3.0）中，借助电场处理褐藻，制备了Mg/Al组装生物炭。其表征结果表明，钙镁负载生物炭中的金属以分离的MgO和CaO纳米粒子的形式存在，而镁铝组装生物炭中的金属主要由MgO、Al2O3和MgAlO2尖晶石晶体等矿物混合物组成。这些载金属生物炭产品均未显示出LDHs的结构。虽然这些生物炭，尤其是Ca-Mg负载生物炭显示出从沼气发酵液中出色的磷酸盐回收率（Fang et al.2015），但很可能是由于生物炭中大量存在铜（已知其对磷酸盐具有高亲和力）（Song et al.2016）。高含量铜的存在，如果不小心管理，可能会对水系统产生巨大的毒性影响。另一方面，将LDHs接枝到生物炭表面是对环境用生物炭的二次管理，因为它是在制备初始生物炭之后生产的。Zhang等人（2013）成功开发了Mg/Al比例为2:1的Mg/Al-LDHs接枝生物炭复合材料，作为去除磷离子的吸附剂。然而，关于不同Mg/Al比率的LDHs生物炭复合材料的吸附性能以及pH值和竞争性阴离子的影响的信息非常有限，因为LDHs化合物的层间距和电性能都受到M2 /N3 比率的影响（Wan et Al.，2012，2009）。由于LDHs化合物的层间距和电学性质是阴离子吸附的重要特征（Goh等人，2008；Zhang等人，2009），Mg/Al比对Mg/A
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