华露露1,2
（1•安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽合肥230601
2•安徽建筑大学环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室，安徽合肥230601）
作者简介：
华露露（1996-），女，安徽蚌埠人，研究生就读于安徽建筑大学。研究方水理理论与技
trus基金项目：
国家自然科学基金项目（编号：51578002）；安徽级自然科学研究项目（
KJ2016JD09）；安徽省高校省级自然科学研究项目（编号：KJ2019A0754）；校招引进人才及博士启动基金项目（编号：2018QD13）摘要：文章以废弃的油料作物大豆秸秆为原料，对生物质炭负载铁基离子改性，并分
别以不同吸附时间、初始浓度与吸附溶液的pH值为变量，研究改性生物质炭对水体中
磷酸盐的吸附机理。实验结果表明，改性后的大豆秸秆对磷的吸附更符合准二级动力学
（!2=0.956）,Freundlich方程对其吸附热力学行为拟合的效果更好（!2=0.981）O SEM、
FIRT等手段进行表征结果表明，改性生物质炭表面Fe-O基团与磷酸根离子进行络合
沉淀与离子交换等多过程的协同进行，是吸附过程的关键。
关键词：生物质炭；铁；改性；吸附；磷
长
培
呱
层
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中图分类号:X52文献标识码:A
文章编号：1007-7359（202%）05-0165-03
D0l：10.16330/j.c n ki.1007-7359.2021.05.079
!引言
磷是影响水体质量的重要指标因素之一，当水体中磷酸盐含量超过0.22mg/L时，易造成水体富营养化现象44目前，吸附法以其高效率、污染小等优势被广泛应用于水体除磷44，其中生物质炭被作为吸附剂的最佳选择之一。生物质炭是指农作物、禽畜粪便、工业污泥等生物质残体在高温缺氧条件下热解制备的富碳固态产物，因其丰富的孔隙与巨大的比表面积等优势，常被作为低成本
的高效材料施加于水体污染物的吸附中⑷。已有学者以原始生物质炭为吸附剂对水体磷酸盐的展开吸
附性能研究，但吸附效果并不理想。将生物质炭进行改性处理，能在—定程度上提升其吸附效果，而负载金属离子是较为常见的改性方法之一⑷。前期结果表明：生物质炭表面的含氧官能团与金属离子结合后生成的金属氧化物与羟基氧化物，能够提高生物质炭对水体磷酸盐的吸附性能⑶。基于此，本研究采用废弃油料作物大豆秸秆制备成生物质炭，并以铁基离子对其进行负载改性，来提高其对水体磷酸盐的吸附容量，以期为水体除磷提供理论支持。
2材料与方法2.1改性生物质炭的制备
实验选用当地农田废弃的干燥的大
豆秸秆，洗净风干后置于真空管式炉内
高温热解2h（600o C），自然冷却后取出
过100目筛，记为未改性生物质炭
DBCo取部分DBC与04mol/L的盐酸
充分混合搅拌浸泡1h（固液比130）蒸
馏水反复清洗后烘干备用。前期实验中
已明确最佳改性条件，故以下简述改性
过程：将上述酸洗后的生物质炭置于烧
杯中，加入100mL浓度为0.5mol/L的
FeCl溶液对其进行负载改性，在恒温震
荡器内震荡24h后取出，蒸馏水洗净后
烘干备用，记FeDBC。
2.2吸附液的制备
称取0.2197g干燥后的磷酸二氢钾
溶于蒸馏水中，加入5mL的13硫酸，
定容至1000mL容量瓶中，母液中的磷
酸盐浓度为50mg/L，根据实验需要稀释
成不同浓度。
2.3测定方法
磷酸盐含量采用钼酸铵分光光度法
测定；生物质炭形貌表征与大小用SEM
扫描电子显微镜（SU8010）观察测定；表
面官能团结构用傅里叶变换红外光谱仪
（FTIR）（Nico/tiS10）进行测定。
2.4实验设计
2.44吸附时间对吸附性能的影响
称量04gFeDBC于50mL离心管
中，加入10mg/L的KH2PO4溶液各
30mL，常温震荡一定时间后取出，经
0.45m滤膜过滤后，立即测定样品中剩
余磷酸盐浓度，计算吸附量，分别用准一
级、准二级动力学方程对实验结果进行
拟合分析。
2.4.5吸附溶液初始浓度对吸附性能的
影响
称量04gFeDBC于50mL离心管
中，分别加入不同初始浓度的KH2PO4溶
液各30mL，常温震荡24h后取出，其余
步骤同上。分别用LangmuS^Freundlich
方程对实验结果进行拟合分析。
2.4.4吸附溶液pH对吸附性能的影响
称量04gFeDBC于50mL离心管
中，分别加入浓度为10mg/LKH2PO4溶
液30mL，用04mo/L的NaOH和HCI
分别调至不同pH（pH=3〜11）常温震荡
24h后取出，其余步骤同上。
3结果与讨论
图1生物质炭改性前、后SEM扫描电镜图
s w M ^
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游廿
；册蓦»：诽；
3.1生物质炭改性前后的表征生物质炭改性前、后的SEM 表征如 图1所示。经Fe 3+改性之后的大豆秸秆
生物质炭结构变化较为明显，未改性的 大豆秸秆生物质炭较为平整光滑，呈疏
松多孔的孔状结构，改性后的FeDBC 明
显有丰富的颗粒，均匀分布在碳材料的
表面与孔隙中，推测是负载Fe 3+形成的
化合物。生物质炭表面粗糙程度的加剧,
更能够为其结构提供更大的比表面积,
使其活性增加，而Fe 3+的引入能够带来 更多的正电荷，通过静电吸附作用，更好 地促进其与PO 4-结合⑶。
生物质炭改性前、后FITR 图谱如图
2所示。改性前后的生物质炭表面官能
团种类较为相似。1060cm -〜1393cm - 附近处的主要吸收峰，是由C=O 与
C-O 键和芳香环的伸缩振动引起6；改
性后的生物质炭在792cm -左右处的
C-H 谱带变宽，说明其表面基团分子间
氢键作用力加强。此外，改性后的
FeDBC 在691cm -附近有Fe-0基团
生成，生物质炭表面正电荷增加是提升
磷酸盐吸附能力的关键之一。Fe 3+与生 物质炭表面的含氧官能团相结合导致了
Fe-0键的弯曲振动其表面的正电荷
弥补了生物质炭的负电性。改性后的生
物质炭能够与磷酸根离子形成单核、多
核的络合物，并通过化学键沉淀作用负 载沉淀在生物质炭表面，此结论与前期
SEM 表征结果一致。
3.2吸附动力学
1200-.
(3<aII)
*
罢径
oqaoH 时间(h)
图3 FeDBC 对磷酸盐的吸附动力学曲线图
吸附时间对吸附量的影响变化与拟 合参数见图3和表1。从中可知,FeDBC
对磷酸盐的吸附速率随时间的增长逐渐
降低，在12h 内基本达到吸附平衡，在此 时间段内,FeDBC 表面大量活性吸附位 点对磷酸盐进行快速地初始吸附，之后
吸附过程逐渐趋于平缓。准一级动力学 方程往往用来描述前期的吸附过程，故
吸附动力学参数
表.模型 参数 FeDBC
准一级动力
学方程
准二级动力
学方程
匕(h")
Q ( mg/kg )
Q ( mg/kg )说唱音乐
2.831001.02
0.8830.004
1054.90
0.956
对于完整的吸附过程的拟合，存在一定
的局限性(!2=0283)；由表1可知，隹二 级动力学方程对FeDBC 除磷的吸附动
力学过程(!2=0256)拟合度最高，且理 论吸附与实际吸附量相差仅520%，此 结果表明，磷酸根与生物质炭表面活性
慢性再生障碍性贫血
点位的吸附过程主要受化学键控制该 拟合曲线能够完整描述除磷过程中的表 面吸附、外部液膜扩散、颗粒内扩散等吸
附行为叫(
兰、8曰)*覆密
吸附等温曲线参数
表2
模型 参数 FeDBC K l ( Umg )
0.043
Langmuir 吸
CL ( mg/kg )
4561.16附模型
0.953
K,
376.44
Freundlich
1/n
U.558
吸附模型
0.981
吸附初始浓度对吸附量的影响变化
与等温拟合结果见图4和表2。从中可 知，随着吸附溶液初始浓度的增加，
FeDBC 对磷酸盐的吸附量呈快速线性
增长。Langmuir 和Freundlich 方程均能 较好地拟合其吸附等温过程，其中
Freundlich 模型的拟合相关性更高
(!2=0281 )°Freundlch 模型描述了吸附
过程是由单分子层、多分子层的化学吸
附过程，当1/小于1时，属于优惠吸附
61]，反应能够较为顺利的进行。此结果表
明FeDBC 吸附磷酸盐的过程是非均一 的自发性吸附行为。
3.4吸附溶液pH 对吸附性能的影响
吸附溶液pH 对磷酸盐的吸附影响, 如图5所示。从中可知,H 值在3〜6
时,FeDBC 对磷酸盐的吸附量随着pH 的增大而增大，在pH=6时达到最大值, 之后随pH 的增大而逐渐减小。当
pH = 11时,FeDBC 对磷酸盐的吸附量仅
为最佳状态下的8.24%o 这是因为当溶
液环境处于中性(pH=6〜8)时，此时的磷- 2-
酸根主要以H 2PO 4和HPO 4的形式存
在62]易与Fe 3+相结合进行吸附；当pH
值持续上升至碱性时，容液中PO ：的含
量增多，过多的OH -与其产生烈性竞 争，生物质炭表面负电性增强，不利于吸
附反应的进行，导致对磷的吸附急速下 降。
4结论
① 经Fe 3+改性后的FeDBC 表面分
布粗糙颗粒状的金属氧化物，可与磷酸
根结合，形成稳定的化学沉淀，是其除磷
的主要机制。
② 准二级动力学方程对FeDBC 对
磷酸盐的吸附过程拟合度更高(R 2=0.
956)，其吸附热力学用Freundlich 方程
拟合更为适合(R 2=0281 )，其吸附过程 主要是受化学主导的多分子层吸附，当
pH=6时,FeDBC 对磷酸盐的吸附量影
响显著。
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（上"第158页）
种支座间距，分别为52m、62m以及62m。通过计算在不同支座间距下，墩柱的受力情况以及上部结构的抗倾覆系数，从而选取较为有利的支座间距。 下部结构采用桥梁博士（版本号42）软件进行计算，墩柱与系梁之间采用刚臂连接。上部结构恒载通过支座反力以集中力的形式作用在对应的支座位置，上部结构活载通过建立虚拟横梁，模拟活载横向布置，虚拟横梁与墩柱之间在支座对应位置采用主从约束连接，由于本文主要研究对象为墩柱，故计算模型未考虑承台和桩基部分。计算模型如图2所示（虚拟横梁未显示）o
图2墩柱计算模型
通过改变支座间距，计算得到了不同支座间距下，墩柱与系梁连接处墩柱弯矩M1、墩柱底截面弯矩M2、墩柱底截面最大轴力F、系梁最大正弯矩ML （+）、系梁最大负弯矩ML（-）以及上部结
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不同支座间距下参数表
支座间距M1M2
F(kN)
ML(+)ML(-)
Q (m)(kN•m)(kN•m)(kN•m)(kN•m)
5.3-9180.72792.916539.32567.7-5175.114.76
6.0-8639.92649.116540.62744.9-4979.319.34
6.7-9071.02765.116539.62603.2-5135.225.62
注：表中数据均为标准值组合（未考虑纵横向水平力）下计算数据，弯矩正负号仅代表方向。
构抗倾覆系数Q等参数如下表所示。
由上表可知，随着支座间距增大，墩
柱与系梁最大弯矩先减小再增大，支座
间距为62m时，墩柱与系梁最大弯矩均
较小；随着支座间距增大，抗倾覆系数线
性增大，但是墩柱最大轴力基本保持不
变。综上，选择62m支座间距时，墩柱与
系梁受力较为合理，故本项目标准段下
部结构支座横向间距为62m。
3.3墩柱配筋验算
在上述模型的基础上，考虑墩柱纵
横向水平力后计算得到的墩柱内力结果
即可作为配筋验算设计值。桥梁下部结
构所承受水平力主要包括摩阻力，制动
力，温度力，混凝土收缩徐变引起的水平
力，风荷载，曲线桥离心力以及纵横向地
震力等。在上述水平力及上部结构传递
下来的竖向力的共同作用下，墩柱受力
模式为双向偏心受压构件。通过建模计
算，本算例在荷载基本组合下，墩柱最大
横桥向弯矩为14106.11^^^，墩柱最大
顺桥向弯矩为76972kN・m，墩柱最大
竖向轴力为229742kN。系梁最大弯矩
为7919.2kN-m，系梁最大竖向剪力为
35912kN，系梁拉杆最大拉力为
2014.5kNo根据计算结果，墩柱配筋采用
Ani，等.An irn/estigati-n into the ads-
oroti-n romovai of ammonium by sslf
act-ated Chinese(Huluodu)ntthpi z-
eolitv:3inetics,isothermsxnd therm
odynamics[J].5ourpai of the Taiwan
丨nstChtv of Chemicci EngineerpX014,
45(2):554-564.
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展⑹•环境污染治理技术与设备,002
20):23-27.
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ous so-ti-n using nanoscclu zeovv-
lunt iron(nZVn[J]2oll-ins&Surfaces
A Physicochemicci&Engineering A-
specthX014X57:43-440
:
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S
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关
数学通讯
^
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舄
坷
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垂B
匍
双层直径28mm竖向主筋沿墩柱截面
四周均匀布置，布置间距约10cm；墩柱
箍筋采用直径12mm钢筋（标准段）或
直径16mm钢筋（扩头段），箍筋肢数为
8肢。系梁顶面主筋采用三层直径
嘉善团
28mm钢筋均匀布置，系梁底面主筋采
用单层直径28mm钢筋均匀布置，布置
间距约10cm，系 梁箍筋采用直径
12mm钢筋，箍筋肢数为6肢。
4结语
随着桥梁建设的快速发展，桥梁景
观要求越来越重要，并且随着城市现代
化飞速发展，高架桥建设日趋常态化，桥
梁设计工作者将面临各种样式的花瓶墩
的设计计算。本文依托实际工程，从尺寸
设计，支座间距选取及配筋验算等方面，
对花瓶墩的构造设计提供了一些参考。
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豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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