本發(fā)明涉及一種生物碳球的制備方法，具體是涉及一種農(nóng)溝底泥和水稻秸稈熱解制備生物碳球的方法。

背景技術(shù)：

氨氮是水體富營養(yǎng)化的常見污染物，農(nóng)業(yè)面源為其重要的污染源。我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中氮肥使用量較大，約占世界氮肥使用總量的36.9％，而氮肥施入農(nóng)田后被作物吸收、利用的僅占其施入量的40％-50％。大量含氮化肥從農(nóng)田流失，經(jīng)溝渠徑流進(jìn)入附近水體造成污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)田養(yǎng)分流失對周邊河流、湖泊富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)率高達(dá)27％，氨氮是農(nóng)田排水無機(jī)氮污染的主要形態(tài)。“十二五”期間，我國已經(jīng)將氨氮納入污染物總量控制指標(biāo)體系，采取有效措施治理水體中氨氮污染具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

生物碳是生物質(zhì)材料在缺氧或無氧條件下低溫(一般＜700℃)熱解制備而成的富碳固體，具有較大的比表面積、孔隙率以及極強(qiáng)的吸附能力。研究表明，生物碳是理想的土壤改良劑，添加至土壤中，可以提高土壤養(yǎng)分，改善土壤結(jié)構(gòu)和微生物生態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，添加2.5％和5％玉米芯生物碳后促進(jìn)了含有肉桂酸的土壤酶活性，增加了土壤中細(xì)菌數(shù)量，減少了真菌數(shù)量。然而，生物碳應(yīng)用于水處理方面，目前主要集中于水體中有機(jī)污染物和重金屬的吸附去除。

溝渠是農(nóng)田系統(tǒng)的重要組成部分，而農(nóng)溝底泥具有營養(yǎng)鹽的“匯”與“源”功能。有研究表明，農(nóng)溝底泥對農(nóng)田排水中氨氮存在著顯著的吸附作用。但是，采用農(nóng)溝底泥作為原料熱解制備生物碳，并作為水體氨氮的吸附材料在國內(nèi)外尚未見報(bào)道。因此，提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種農(nóng)溝底泥和水稻秸稈熱解制備生物碳球的方法，其利用水稻秸稈覆蓋裸田對農(nóng)田氨氮流失的明顯減輕作用，以農(nóng)溝底泥摻混農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)水稻秸稈為原料，在600℃下缺氧熱解制備生物碳球吸附材料，并通過模擬實(shí)驗(yàn)，研究其對水體氨氮的吸附性能，構(gòu)建吸附動(dòng)力學(xué)模型和等溫吸附模型，考察溫度對生物碳球吸附氨氮效果的影響，以期為生物碳球在農(nóng)田排水中氨氮的治理應(yīng)用提供理論參考。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種農(nóng)溝底泥和水稻秸稈熱解制備生物碳球的方法，包括以下步驟：

(1)溝渠底泥取回后于一定溫度下鼓風(fēng)烘干，并撿出其中的雜物，研磨，過篩，制得溝渠底泥粉末，備用；

(2)水稻秸稈取回后經(jīng)自來水洗滌去除表面雜質(zhì)，曬干，剪短，于一定溫度下鼓風(fēng)充分干燥，用微型植物粉碎機(jī)粉碎后過篩，制得水稻秸稈粉末，并保存于廣口瓶內(nèi)，備用；

(3)將溝渠底泥粉末摻入水稻秸稈粉末，混勻，加入少量蒸餾水后采用制丸機(jī)制備成一定粒徑的顆粒小球，再放入石英舟中，并置于真空管式爐內(nèi)，通氮?dú)獗３秩毖鯒l件下，以一定的升溫速率加熱至600℃-800℃恒溫一定時(shí)間，然后繼續(xù)在氮?dú)夥諊写匀焕鋮s至室溫后取出，用去離子水超聲清洗至pH中性，最后用鼓風(fēng)烘干，稱重，制成生物碳球成品。

所述步驟(1)中的溝渠底泥在100-105℃下烘干20-24h。3、如權(quán)利要求1所述農(nóng)溝底泥和水稻秸稈熱解制備生物碳球的方法，其特征在于：所述步驟(1)中的溝渠底泥研磨后，過80-100目篩。

所述步驟(2)中的水稻秸稈在80-90℃下鼓風(fēng)充分干燥。

所述步驟(2)中的水稻秸稈粉碎后過80-90目篩。

所述步驟(3)中的溝渠底泥和水稻秸稈粉末的重量比為5-20:1。

所述步驟(3)中的顆粒小球的粒徑為4-5mm。

所述步驟(3)中通氮?dú)?00-300mL·min^-1保持缺氧條件下，以8-9℃·min^-1的升溫速率加熱至500-600℃恒溫3-4h。

所述步驟(3)中于100-105℃鼓風(fēng)烘干24h。

本發(fā)明農(nóng)溝底泥和水稻秸稈熱解制備生物碳球的方法具有如下有益效果：

1、適量水稻秸稈的添加，增加了支撐生物碳球內(nèi)部空間的骨架結(jié)構(gòu)，有利于提高生物碳球的孔隙率，增加通透性，從而提高其傳質(zhì)性能。

2、水稻秸稈的添加，使生物碳球引入了更多的羥基和芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，提高了其親水性，并且穩(wěn)定性更強(qiáng)，另外，添加水稻秸稈后生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量也有增加。

3、吸附動(dòng)力學(xué)研究表明，本發(fā)明制得的生物碳球?qū)Π钡奈椒磻?yīng)較符合準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程和準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程，能較好地描述其吸附氨氮過程，其主要受表面化學(xué)吸附過程控制，除了內(nèi)擴(kuò)散外，還存在其他過程共同控制生物碳球吸附氨氮的速率。

4、吸附等溫方程研究表明，Langmuir方程能更好地描述生物碳球?qū)Π钡奈竭^程，而且該吸附過程屬于表面均勻的單分子層吸附，生物碳球?qū)Π钡奈竭^程為吸熱過程，高溫有利于吸附。

5、農(nóng)溝底泥和水稻秸稈取材方便，成本低廉，將其制備成生物碳球不僅能變廢為寶，而且在農(nóng)田排水中氨氮的治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的生物碳球外觀圖；

圖2-7為秸稈生物碳及生物碳球的SEM圖；

圖8為生物碳球的紅外譜圖；

圖9為準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程生物碳球吸附氨氮的動(dòng)力學(xué)曲線；

圖10為準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程生物碳球吸附氨氮的動(dòng)力學(xué)曲線；

圖11為顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程生物碳球吸附氨氮的動(dòng)力學(xué)曲線；

圖12-16為生物碳球?qū)Π钡牡葴匚角€；

圖17為溫度對氨氮吸附效果的影響。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

實(shí)施例

本實(shí)施例采用農(nóng)田溝渠底泥摻混一定比例的水稻秸稈作為原材料制備生物碳球，溝渠底泥與水稻秸稈均取自紹興市越城區(qū)某農(nóng)田，具體方法為：

(1)溝渠底泥取回后于105℃鼓風(fēng)烘干24h，并撿出其中雜草等雜物，研磨，過100目篩，制得溝渠底泥粉末，備用；

(2)水稻秸稈取回后經(jīng)自來水洗滌去除表面雜質(zhì)，曬干，剪短，于80℃鼓風(fēng)充分干燥，用微型植物粉碎機(jī)粉碎后過80目篩，制得水稻秸稈粉末，并保存于廣口瓶內(nèi)，備用；本實(shí)施例中所用化學(xué)試劑均為分析純。

(3)將5份各1kg的溝渠底泥粉末樣品分別摻入0g、50g、100g、150g、200g的水稻秸稈粉末樣品，混勻，加入少量蒸餾水后采用LD-88A制丸機(jī)制備成粒徑為5mm的顆粒小球，再放入石英舟中，并置于BTF-1200C真空管式爐內(nèi)，通氮?dú)?00mL·min^-1保持缺氧條件下，以9℃·min^-1的升溫速率加熱至600℃恒溫4h，然后繼續(xù)在氮?dú)夥諊写匀焕鋮s至室溫后取出，用去離子水超聲清洗至pH中性，最后于105℃鼓風(fēng)烘干24h，稱重，制成生物碳球成品，如圖1所示，并將其分別編號(hào)為SS-0、SS-50、SS-100、SS-150、SS-200。

性能測試

一、生物碳的理化表征分析

生物碳中C、H、N、O元素含量采用EA3000元素分析儀(意大利Euro vector公司)進(jìn)行測定；比表面積及孔隙分布采用Empyrean比表面積和孔隙度分析儀(美國Micromeritics公司)測試；表面形貌采用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡(日本電子JEOL)分析；透射紅外譜在NEXUS傅里葉變換紅外光譜儀(美國尼高力)上測試；生物碳球的表面酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量采用Boehm滴定法測定，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值；

傳質(zhì)性測定：于50mL去離子水中加入1mL0.1％亞甲基藍(lán)溶液配成測試液，并放入10顆生物碳球，靜置24h后，以去離子水為參比，在665nm處分別測定生物碳球所在亞甲基藍(lán)測試液的吸光度和原測試液的吸光度，以此計(jì)算生物碳球吸附的亞甲基藍(lán)百分比，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值；

機(jī)械強(qiáng)度系數(shù)測定：將10顆生物碳球放入100mL錐形瓶，加入50mL去離子水，以120r·min^-1恒溫振蕩，觀察24h后完好生物碳球數(shù)量的百分占比，以此表示生物碳球的機(jī)械強(qiáng)度系數(shù)。

二、生物碳球的氨氮吸附性能測定

1、氨氮吸附動(dòng)力學(xué)測定

由30mg·L^-1的氯化銨溶液作為氨氮模擬廢水，取200mL放入250mL的錐形瓶中，加入4顆已稱重的生物碳球作為吸附劑，封口，在25℃恒溫下以120r·min^-1不斷地振蕩廢水溶液，分別于5min、10min、30min、50min、70min、1.5h、2h、6h、12h和24h時(shí)取廢水樣測定其氨氮濃度，并與原模擬廢水的氨氮含量進(jìn)行比較，從而計(jì)算出生物碳球的氨氮吸附量。通過準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程及顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，以確定最佳的吸附動(dòng)力學(xué)模型。

2、氨氮吸附等溫線測定

取8只250mL的錐形瓶，分別加入100mL由不同濃度氯化銨溶液配制的氨氮模擬廢水，各加入4顆已稱重的生物碳球作為吸附劑，25℃恒溫下以120r·min^-1不斷地振蕩廢水溶液，待吸附平衡后取廢水樣測定其氨氮濃度，并與原模擬廢水的氨氮含量進(jìn)行比較，從而計(jì)算出生物碳球的氨氮吸附量。計(jì)算公式如下：

式中：q_t為生物碳球t時(shí)刻對氨氮的吸附量，mg·g^-1；C₀、C_t分別為初始、t時(shí)刻廢水樣氨氮的濃度，mg·L^-1；V為廢水樣的體積，mL；m為生物碳球的投加量，g。

3、測定方法

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中相關(guān)規(guī)定，氨氮采用納氏試劑光度法測定，以二氯化汞-碘化鉀-氫氧化鉀溶液配制納氏試劑，水樣測定前加入ZnSO₄溶液并調(diào)pH值至10.5，絮凝沉淀后傾取上清液作試樣，于420nm波長下，用10mm比色皿測量吸光度。測定儀器為UV-2102PCS型紫外可見分光光度計(jì)(尤尼柯上海儀器有限公司，波長精度為±0.3nm)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

性能測試結(jié)果與分析

一、生物碳的理化性質(zhì)及表征分析

取水稻秸稈粉末樣品放入石英舟，置于真空管式爐內(nèi)，通氮?dú)獠⒃?00℃下熱解4h，制得水稻秸稈生物碳。水稻秸稈生物碳及生物碳球的物理化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 水稻秸稈生物碳及生物碳球的物理化學(xué)性質(zhì)

從表1可以看出，水稻秸稈生物碳C、H、N和O的含量要明顯高于農(nóng)溝底泥生物碳(即SS-0)，但其H/C和O/C原子比較低，僅為0.03和0.15，說明水稻秸稈在600℃缺氧熱解制備生物碳過程中形成了較多的芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)楣腆w熱解產(chǎn)物的含碳量越高，H/C比和O/C比越低，則其芳香性提高，極性下降。結(jié)合掃描電鏡結(jié)果(圖2-7)還可以發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈生物碳形貌結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面相對光滑，孔徑較大，符合所測得的BET孔隙大小，為74.59nm，而農(nóng)溝底泥生物碳表面則較為粗糙，形成少量孔隙結(jié)構(gòu)，孔徑較小，為15.88nm，這就造成了農(nóng)溝底泥生物碳的比表面積相比水稻秸稈生物碳的較大。然而，添加了一定量水稻秸稈后熱解制備的生物碳球相比純農(nóng)溝底泥制備的生物碳球(SS-0)，其傳質(zhì)性能提高不少，其中，SS-50生物碳球的傳質(zhì)性高達(dá)52％，這說明適量水稻秸稈的添加，增加了支撐生物碳球內(nèi)部空間的骨架結(jié)構(gòu)，有利于提高生物碳球的孔隙率，增加其通透性。此外，本文熱解制備的生物碳球機(jī)械強(qiáng)度較高，抗水沖擊力強(qiáng)，在去離子水中120r·min^-1恒溫振蕩24h后其完好率均達(dá)100％。

用紅外光譜分析生物碳球，得到圖8的結(jié)果。根據(jù)圖8可知，3000-3665cm^-1的寬吸收峰為羥基的O-H的伸縮振動(dòng)引起，隨著生物碳球中水稻秸稈添加量的增加，該吸收峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，而且分子間氫鍵向多分子締合形式(3400-3200cm^-1)即多聚體變化，反映了生物碳球中纖維素等有機(jī)質(zhì)含量在增大。在2356cm^-1附近，SS-50、SS-100、SS-150和SS-200均出現(xiàn)了苯環(huán)上的＝C-H伸縮振動(dòng)吸收峰，而SS-0未有此現(xiàn)象，說明水稻秸稈的添加，使生物碳球引入了芳香性環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)在反應(yīng)中不易被破壞，因此添加了水稻秸稈的生物碳球穩(wěn)定性更強(qiáng)。此外，5種生物碳球在1005cm^-1附近均出現(xiàn)了醇的C-O伸縮振動(dòng)吸收峰，并且吸收強(qiáng)度較大，其中，SS-0還可能存在C-O-C基團(tuán)(1031cm^-1)。763-787cm^-1是苯環(huán)的C-H面外變形振動(dòng)吸收峰，可以確定本發(fā)明熱解制備的生物碳球中苯環(huán)的取代類型為1,3二取代。466cm^-1附近的吸收峰對應(yīng)的是Si-O-Si的振動(dòng)吸收峰，而生物碳球中Si-O-Si的峰則代表了灰分。

通過Boehm滴定法對生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)的含量進(jìn)行了測定。結(jié)果顯示，SS-0、SS-50、SS-100、SS-150和SS-200生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)含量分別為2.74mmol·L^-1、2.88mmol·L^-1、3.71mmol·L^-1、3.36mmol·L^-1和3.03mmol·L^-1。對比SS-0生物碳球，可以發(fā)現(xiàn)水稻秸稈的添加，增加了生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)的含量，而酸性含氧官能團(tuán)含量的增加則可以提高生物碳的親水性，增加生物碳的陽離子交換能力，有利于對氨氮的吸附。

二、生物碳球的氨氮吸附實(shí)驗(yàn)

1、吸附動(dòng)力學(xué)分析

圖4反映了生物碳球?qū)Π钡奈搅颗c吸附時(shí)間的關(guān)系，由圖9-11可知，生物碳球?qū)Π钡收剑搅侩S時(shí)間延長先呈上升趨勢，后逐漸趨于平衡。2h之前氨氮吸附增量明顯，6h之后吸附量基本穩(wěn)定，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)取6h為氨氮吸附平衡時(shí)間。

參照準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程，采用Origin8.6軟件對生物碳球吸附氨氮的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式為：

準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)式為：

顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程表達(dá)式為：

q_t＝k_it^0.5+C (4)

式中：q_t和q_e分別為經(jīng)過時(shí)間t時(shí)和吸附平衡時(shí)生物碳球?qū)Π钡奈搅浚琺g·g^-1；t為吸附時(shí)間，h；k₁、k₂和k_i分別為準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)和顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程的速率常數(shù)，其單位分別為h^-1、g·(mg·h)^-1和mg·(g·h^0.5)^-1；C為常數(shù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果列于表2。通過擬合參數(shù)(表2)可知，準(zhǔn)一級、準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)均能較好地描述SS-0生物碳球?qū)Π钡奈叫袨?，但吸附反?yīng)更符合準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程，可能其吸附過程中受顆粒內(nèi)傳質(zhì)阻力的影響較大。然而，對于SS-50、SS-100、SS-150和SS-200生物碳球，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程擬合的結(jié)果較準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程的理想，氨氮的理論吸附容量與實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)基本一致，表明其主要受表面化學(xué)吸附過程控制，符合農(nóng)田排水溝渠底泥吸附氨氮主要以化學(xué)吸附和離子交換為主的特征。此外，從方程擬合的相關(guān)性系數(shù)R²值來看顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程并不適合描述本文生物碳球?qū)Π钡奈竭^程，但若其擬合的曲線通過原點(diǎn)，則速控步驟為顆粒內(nèi)擴(kuò)散，若不通過原點(diǎn)，則表示還有其他過程共同控制反應(yīng)速率。由表2和圖11可以看出，顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程中常數(shù)C都不為0，即曲線均未經(jīng)過原點(diǎn)，說明生物碳球吸附氨氮的速率可能是由表面化學(xué)吸附與顆粒內(nèi)擴(kuò)散共同控制。

表2 動(dòng)力學(xué)方程的擬合參數(shù)

2、吸附等溫線分析

分別配制氯化銨濃度為50、35、30、25、20、15、10和5mg·L^-1的氨氮模擬廢水，研究生物碳球達(dá)到吸附平衡時(shí)的氨氮吸附量與溶液中氨氮濃度之間的關(guān)系。圖12-16為生物碳球?qū)Π钡牡葴匚角€，由圖12-16可以發(fā)現(xiàn)，生物碳球?qū)Π钡钠胶馕搅侩S溶液初始濃度的增加而增加。

將生物碳球達(dá)到吸附平衡時(shí)的氨氮吸附量與此時(shí)溶液的氨氮濃度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Langmuir和Freundlich吸附等溫方程進(jìn)行擬合。

Langmuir方程表達(dá)式為：

Freundlich方程表達(dá)式為：

式中：q_e為平衡吸附量，mg·g^-1；q_m為飽和吸附量，mg·g^-1；K_L和K_F分別為Langmuir和Freundlich等溫方程的常數(shù)，其單位分別為L·mg^-1和(mg·g^-1)(L·mg^-1)^1/n；C_e為吸附平衡時(shí)溶液中NH₄⁺的濃度，mg·L^-1；n為與生物碳球吸附強(qiáng)度有關(guān)的常數(shù)。

運(yùn)用Origin8.6軟件分析，方程擬合參數(shù)見表3。比較表3中兩種吸附等溫方程擬合的相關(guān)性系數(shù)R²值，可以發(fā)現(xiàn)Langmuir方程能更好地描述生物碳球?qū)Π钡奈竭^程，并且實(shí)際平衡吸附量q_e均小于理論飽和吸附量q_m，說明該吸附過程屬于表面均勻的單分子層吸附。隨著水稻秸稈添加量的增大，生物碳球?qū)Π钡娘柡臀搅坎粩嘣黾樱渲蠸S-200的飽和吸附量最大，達(dá)到6.038mg·g^-1。此外，文獻(xiàn)研究表明，F(xiàn)reundlich方程中1/n的數(shù)值能反映生物碳對氨氮吸附的難易程度，當(dāng)0.1＜1/n＜1時(shí)表明其易于吸附，1/n值越小，吸附效果越好。由表3可知，本文Freundlich方程的1/n值均小于1，而且等溫吸附曲線均呈向上凸形，按BDDT分類，屬于類型Ⅰ，說明生物碳球?qū)Π钡休^好的吸附能力。

表3 Largmuir和Freundlich吸附等溫方程的擬合參數(shù)

3、溫度對吸附效果的影響

取100mL 30mg·L^-1的氯化銨溶液放入250mL的錐形瓶中，加入4顆生物碳球，以120r·min^-1不斷地振蕩溶液，并分別將其置于10、15、20、25、30、35、40℃恒溫條件，以模擬農(nóng)田排水的水溫，待生物碳球達(dá)到吸附平衡時(shí)測定其氨氮的吸附量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

由圖17可知，水溫在10-40℃之間，溫度越高，生物碳球?qū)Π钡奈搅恳苍酱?，這說明該吸附過程為吸熱過程，高溫有利于生物碳球?qū)Π钡奈健４送?，與SS-0對比發(fā)現(xiàn)，添加了水稻秸稈的生物碳球其氨氮吸附量明顯上升，這也表明生物碳球主要依靠化學(xué)行為吸附氨氮，水稻秸稈的添加使生物碳球引入了更多的親水性基團(tuán)，增強(qiáng)了其吸附氨氮的能力，這與文中圖8生物碳球的FTIR圖譜分析結(jié)果相一致。

本發(fā)明以農(nóng)溝底泥摻混水稻秸稈為原料，在600℃下缺氧熱解制備生物碳球，分析了其理化表征特性，考察了其對氨氮的吸附行為，并研究了溫度對吸附效果的影響，得出以下結(jié)論：

1、適量水稻秸稈的添加，增加了支撐生物碳球內(nèi)部空間的骨架結(jié)構(gòu)，有利于提高生物碳球的孔隙率，增加通透性，從而提高其傳質(zhì)性能。

2、紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，水稻秸稈的添加，使生物碳球引入了更多的羥基和芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，提高了其親水性，并且穩(wěn)定性更強(qiáng)，另外，添加水稻秸稈后生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量也有增加，SS-0、SS-50、SS-100、SS-150和SS-200生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)含量分別為2.74mmol·L^-1，2.88mmol·L^-1，3.71mmol·L^-1，3.36mmol·L^-1和3.03mmol·L^-1。

3、吸附動(dòng)力學(xué)研究表明，SS-0生物碳球?qū)Π钡奈椒磻?yīng)較符合準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程，而對于SS-50、SS-100、SS-150和SS-200生物碳球，準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程能較好地描述其吸附氨氮過程，其主要受表面化學(xué)吸附過程控制。顆粒內(nèi)擴(kuò)散方程表明，除了內(nèi)擴(kuò)散外，還存在其他過程共同控制生物碳球吸附氨氮的速率。

4、吸附等溫方程研究表明，Langmuir方程能更好地描述生物碳球?qū)Π钡奈竭^程，而且該吸附過程屬于表面均勻的單分子層吸附。溫度對吸附效果的影響表明，生物碳球?qū)Π钡奈竭^程為吸熱過程，高溫有利于吸附。

5、農(nóng)溝底泥和水稻秸稈取材方便，成本低廉，將其制備成生物碳球不僅能變廢為寶，而且在農(nóng)田排水中氨氮的治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明以農(nóng)溝底泥為基料，水稻秸稈為輔料，根據(jù)兩者質(zhì)量比摻混，將農(nóng)溝底泥樣品和按底泥與秸稈質(zhì)量比為20:1、10:1、20:3、5:1進(jìn)行摻混的4種樣品均制成粒徑為5mm的顆粒小球，并在600℃下缺氧熱解4h成生物碳球，分別標(biāo)記為SS-0、SS-50、SS-100、SS-150、SS-200。通過元素分析、比表面積和孔隙度分析、掃描電鏡、紅外光譜分析及Boehm滴定法等手段表征了生物碳球的組成與結(jié)構(gòu)。利用模擬實(shí)驗(yàn)，研究了生物碳球?qū)Π钡奈叫阅?，?gòu)建了吸附動(dòng)力學(xué)和等溫吸附模型，并考察了溫度對氨氮吸附效果的影響。結(jié)果表明，添加水稻秸稈，有利于增加生物碳球通透性和親水性，提高其傳質(zhì)性能。生物碳球表面酸性含氧官能團(tuán)含量分別為2.74mmol·L^-1、2.88mmol·L^-1、3.71mmol·L^-1、3.36mmol·L^-1和3.03mmol·L^-1。動(dòng)力學(xué)研究表明，SS-0對氨氮的吸附符合準(zhǔn)一級動(dòng)力學(xué)方程，而準(zhǔn)二級動(dòng)力學(xué)方程能較好地描述SS-50、SS-100、SS-150和SS-200吸附氨氮過程，除了內(nèi)擴(kuò)散外，還存在其他過程共同控制生物碳球吸附氨氮的速率。生物碳球等溫吸附曲線符合Langmuir方程，且Freundlich方程的1/n指數(shù)值均小于1，屬于吸熱過程，高溫有利于其吸附氨氮。生物碳球?qū)Π钡哂休^好的吸附能力，在農(nóng)田排水中氨氮的治理方面有廣闊的應(yīng)用前景。

上述實(shí)施例僅用于解釋說明本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，而非對本發(fā)明權(quán)利保護(hù)的限定，凡利用此構(gòu)思對本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。