活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭磁化后对土壤中铵的吸附

　　土壤健康是粮食安全问题的重中之重，农业土壤的退化和污染被认为与气候危机和生物多样性丧失一样严重。化肥过度使用会导致土壤中活性氮形式的积累铵(NH4+)、亚硝酸盐(NO2-)和硝酸盐(NO3-)。这些化合物可以从土壤中浸出或径流，污染地表水和地下水。新型的土壤修复策略是使用活性炭吸附剂，因为它们的物理化学特性允许吸附多种类型的污染物，并且它们的生产方法相对简单且便宜。为了方便吸附后的回收，我们通过其表面的氧化铁浸渍来磁化活性炭，受存在的磁性活性炭和浸渍方式的影响，从而导致吸附含氮污染物的机制和能力发生变化。活性炭磁化后可以极大地拓宽活性炭的应用范围，还可以通过磁分离从介质中去除。

　　用于土壤除铵的磁性活性炭合成

　　活性炭是由有机物在缺氧或几乎缺氧条件下热分解产生的。该过程被广泛称为“热解”，但除了可以使用的一系列原料和其他处理方法之外，还有多种条件可以发生热解。任何这些条件、处理或原料的变化都可能对活性炭产品的物理和/或化学性质(例如孔隙率、表面积、可用官能团和pH值)产生显着影响，从而提高或降低吸附或其他应用程序。因此，了解这些条件对于开发用于铵吸附的活性炭至关重要。

　　图1：活性炭生产概述，包括可能的原料和热解方法的非详尽示例，以及可能发生的铵吸附机制的范围。

　　磁化方法

　　可以使用各种技术来磁化活性炭，但主要使用两种方法共沉淀和铁溶液预处理。前者通常在热解之后进行，由此氧化铁在碱性条件下沉淀到活性炭表面氢氧化物离子与铁离子反应形成中间产物，然后反应形成磁铁矿。后者往往发生在热解之前，原料首先用铁溶液在短时间内饱和，然后在热解过程中形成磁性活性炭颗粒。开发用于土壤修复的活性炭突然改良剂的一个主要动机是有可能将污染物从它们长期存在的地方去除，并将它们重新分配到可能从中受益的地区，从而支持肥料管理和净零和循环经济倡议。

　　活性炭对铵的吸附

　　多项研究考虑了活性炭的铵吸附能力在液体介质中。得出结论，吸附的主要机制源于活性炭官能团，而不是表面积和孔隙率。低温热解的活性炭保留了氧官能团，通过静电吸引和氢键改善了铵的吸附。使用傅里叶变换红外FTIR分析表明，随着温度的升高，对应于羧基和羟基的峰会下降，这证明了低热解温度会由于保留含氧基团而改善铵吸附。

　　活性炭与土壤的磁分离

　　解吸后，活性炭可以再生，可以用于连续几轮的吸附-解吸处理。根据实验数据表明经过解吸从活性炭中解吸了84.1%的Pb(II)，发现在随后的六轮吸附-解吸中，吸附效率保持接近原始水平。还发现表面积和孔体积增加，FTIR波段没有显着变化，这表明重要的物理化学性质没有受到影响。此外，磁性似乎也没有受到影响。虽然活性炭已被用作原位固定的土壤污染物修复材料，但很少有研究调查活性炭从农业土壤中吸附和去除污染物的潜力。磁性活性炭常见的用途是用于废水处理，因为带有磁性非常方便吸附后的分离。然而，从土壤中去除含有污染物的活性炭也具有类似的优势，通过磁性也可以防止污染物重新释放回土壤，磁性活性炭可以回收进一步使用，并且可以提取污染物在农业系统中再利用。例如，硝酸盐、铵盐和磷酸盐可以回收用于肥料。

　　图2：土壤修复后磁性活性炭和铵盐的两种循环利用途径。

　　活性炭磁化后对土壤中铵的吸附，虽然广泛的研究已被用于表征磁性活性炭并研究其在水环境中的吸附能力，但也有很多领域上使用活性炭作为土壤改良剂。近期，越来越多的研究对土壤中未改性的活性炭进行了实验，虽然磁性活性炭会产生不同的生化效应，但是确实能对土壤进行改良。对活性炭引起的土壤特性变化对于确定其对更广泛的土壤参数的影响至关重要，例如养分循环、生物多样性和植物健康等这也是未来的研究路线。

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