热膨化预处理提高氧化镁工程生物炭从养殖废水中回收磷的能力：机理和经济效益分析

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摘要

为提高养殖废水中磷的回收效率，采用热膨化预处理(Mg-PBC)和未预膨化处理(Mg-BC)制备了新型MgO掺杂霉变玉米生物炭。热膨化预处理提高了金属浸渍效果和MgO分散效果。Mg-PBC处理的磷回收时间(7h)明显小于Mg-BC处理(12h)。Mg-PBC对磷的回收能力(241 mg g^-1)显著高于Mg-BC (96.6 mg g^-1)。柱试验条件下，Thomas模型拟合Mg-PBC的磷回收效率为90.7 mg g^-1，比Mg-BC (22.9 mg g^-1)提高了4倍。磷的回收机制包括沉淀作用、表面络合和静电相互作用。吸附后Mg-BC和Mg-PBC的再生能力较低。将吸附磷后的Mg-BC (Mg-BC-P)和Mg-PBC (Mg-PBC-P)施入土壤中，可以显著提高土壤有效磷含量，促进植株生长。施加Mg-PBC-P处理的土壤中磷的释放量随时间增加而增加，而磷肥处理土壤中磷的释放量随时间减少。成本效益分析表明，热膨化预处理将MgO掺杂生物炭的利润从每公斤-0.66美元提高到每公斤5.90美元。上述结果表明，生物质热膨化预处理是制备MgO改性生物炭和从养殖废水中回收磷的可行处理方法，并且Mg-PBC-P可作为缓释磷肥。

亮点

热膨化预处理显著促进了金属的浸渍效果，得到了均匀负载的MgO改性生物炭。

热膨化预处理MgO改性生物炭Mg-PBC对磷的回收能力为241 mg g^-1。

Mg-PBC对磷的回收机制包括沉淀作用、表面络合和静电相互作用。

吸附饱和后的Mg-PBC可作为土壤缓释磷肥。

图文导读

Fig. 1. Schematic diagram of material preparation, static and dynamic adsorption experiments.

Fig. 2. μ-XRF images of corn and popcorn with or without salt solution impregnating (a, b, c, and d) and SEM images of Mg-BC (e) and Mg-PBC (f).

Fig. 3. Kinetic data fitted by pseudo-first and second order model (a) and inner particle diffusion model (b); P adsorptive recovery isotherm data fitted by Langmuir, Freundlich, and Langmuir-Freundlich isotherm models (c); recycle abilities of Mg-BC and Mg-PBC (d).

结论

热膨化预处理提高了改性生物炭的孔隙率，提高了MgCl₂的浸渍效率，获得了MgO颗粒分散均匀、活性位点密度高的生物炭Mg-PBC。

Mg-PBC对磷的回收能力显著高于未膨化处理的Mg-BC。

MgO掺杂生物炭对磷的吸附受沉淀、络合和静电吸引过程的影响。

热膨化预处理MgO掺杂生物炭具有良好的经济效益，具有大规模生产工程生物炭的潜力和从畜禽废水中吸附回收磷的经济可行性。

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