不同生物炭对氮的吸附性能
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吸附质：称取 2.857 1 g 硝酸铵（分析纯）于烧杯 中，加适量蒸馏水溶解，转移至 1 L 容量瓶定容，即配 制成含氮为 1000 mg·L-1 的硝酸铵储备液，将储备液 逐级稀释至实验所需浓度待用。 1.2 生物炭理化性质表征
①pH 测定：称取 1.00 g 3 种生物炭分别溶于 20 mL 蒸馏水中，振荡 10 min 过滤，使用 pH 计（MET－ TLER TOLEDO LE438）测定滤液的 pH。②元素分析： 使用元素分析仪（vario ISOTOPE CUBE）在炉温 1150 ℃时测定生物炭的 C、H、N、S 含量，采用差减法计算 O 含量。③灰分测定：将生物炭置于马弗炉中，800 ℃ 敞口煅烧 2 h，计算灰分。④生物炭的比表面积采用比 表面积测定仪（Nova 2000e）用 BET 法测定；采用扫描 电镜（HITACHI S-4800）和傅里叶红外光谱仪（Nicolet 380）测定表面形态和官能团结构。 1.3 吸附实验 1.3.1 pH 对生物炭吸附氮的影响
因此，本文选择 3 种不同类型的生物炭，对其理 化性质进行表征，设计生物炭与硝酸铵溶液中的氮进 行固液吸附实验，排除土壤介质干扰，探究不同 pH、 反应时间、初始浓度及生物炭量条件对生物炭吸附氮 的影响，并以等温模型与动力学模型探究生物炭吸附 氮的机理，寻求具有最佳氮素吸附性能的生物炭材 料，为生物炭应用于治理氮素污染提供理论依据，同 时为生物炭的资源化利用提供参考。
不同生物炭对氮的吸附性能
索桂芳 1，2，吕豪豪 2，3，汪玉瑛 2，3，刘玉学 2，3，何莉莉 2，3，杨生茂 1，2，3*
（1.浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江 金华 321004；2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021；3 浙 江省生物炭工程技术研究中心，杭州 310021）
20Biblioteka Baidu8，37（6）: 1193-1202
农业环境科学学报 Journal of Agro-Environment Science
2018 年 6 月
索桂芳，吕豪豪，汪玉瑛，等. 不同生物炭对氮的吸附性能[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37（6）：1193-1202. SUO Gui-fang, L譈 Hao-hao, WANG Yu-ying, et al. Study on the adsorption properties of nitrogen by different biochars [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37（6）：1193-1202.
收稿日期：2017－10－12 录用日期：2017－12－19 作者简介：索桂芳（1992—），女，山东济南人，硕士研究生，从事生物炭材料的吸附研究及炭基微生物肥料的研发与应用。E-mail：suogf1992@163.com * 通信作者：杨生茂 E-mail：yangshengmao@263.net 基金项目：浙江省重点研发计划项目（2017C02001） Project supported：The Key Research and Development Project of Zhejiang Province, China（2017C02001）
1194
近年来，氮肥的不合理施用，使土壤中的氮素通 过径流、淋溶、氨挥发及表观硝化-反硝化等途径大量 流失[1-2]，不仅造成资源的严重浪费，还导致土壤、水体 氮污染及富营养化等问题，造成环境污染、生态系统 功能退化[3-4]，严重威胁人类健康。因此，治理氮素污 染，保护生态环境成为亟需解决的问题。生物炭作为 一种吸附剂因其环境友好、取材广泛而又操作简单受 到研究者的广泛关注。生物炭是生物质在无氧或限氧 条件下，经高温热裂解产生的一种难熔的、高度芳香 化、富含碳素的固体物质[5]。生物炭作为一种新兴的环 境功能材料，不仅制备原料来源广泛，而且孔隙结构 发达，比表面积大，具有高度的生物化学稳定性和较 强的吸附性能，在改善土壤质量，持留土壤养分，减少 温室气体排放，治理土壤、水体重金属污染等方面均 发挥着重要作用[6-9]。
农业环境科学学报 第 37 卷第 6 期
1 材料与方法
1.1 实验材料 吸附剂：分别为稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭，购自
浙江省桐乡市华腾牧业有限公司。稻壳、山核桃壳和 竹片是浙江省典型农业废弃物，3 种生物炭采用限氧 控温炭化法在 500 ℃限氧环境下炭化 3 h 制得。将 3 种生物炭于烘箱中 70 ℃烘干，磨细，过 0.149 mm 筛， 贮存在干燥设备中备用，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭 分别标记为 DBC、SBC 和 ZBC。
摘 要：为探究不同类型生物炭对氮的吸附性能，寻求最佳的氮素吸附材料，本文选择稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭作为吸附剂，开 展不同 pH 环境、反应时间、初始浓度及生物炭添加量条件下的吸附实验，研究生物炭对硝酸铵溶液中氮的最佳吸附条件，并对结 果进行等温吸附拟合与吸附动力学研究。结果表明：3 种生物炭对硝酸铵溶液中的氮均有一定的吸附效果，且 pH 环境、反应时间、 初始浓度及生物炭添加量均影响生物炭对氮的吸附量。生物炭添加量为 0.05 g 时，在 pH 环境为 9、吸附时间为 3 h、初始浓度为 100 mg·L-1 的条件下，平衡吸附量达到最大，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭在此条件下的最大吸附量分别为 23.79、13.00 mg·g-1 和 17.60 mg·g-1，表明稻壳炭对氮的吸附效果最佳；Langmuir 方程能更好地拟合 3 种生物炭对氮的等温吸附过程，表明生物炭对氮的吸 附主要是单分子层吸附；准二级动力学模型能更好地描述 3 种生物炭吸附氮的动力学过程，表明生物炭对氮的吸附为化学吸附。综 上说明，稻壳炭在最佳吸附条件下可吸附较多氮素，有望作为一种良好的吸附剂应用于土壤和水体氮素污染治理。 关键词：生物炭；氮素吸附；等温吸附模型；氮污染 中图分类号：X712 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2018）06-1193-10 doi:10.11654/jaes.2017-1378
Study on the adsorption properties of nitrogen by different biochars
SUO Gui-fang1,2, L譈 Hao-hao2,3, WANG Yu-ying2,3, LIU Yu-xue2,3, HE Li-li2,3, YANG Sheng-mao1,2,3* （1.College of Chemistry and Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China; 2.Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China; 3.Engineering Research Center of Biochar of Zhejiang Province, Hangzhou 310021, China） Abstract：This paper explored the adsorption properties of nitrogen by different biochars and identified a suitable material to prevent nitro－ gen pollution. The project selected three kinds of nitrogen adsorbents：rice husk biochar, pecan shell biochar and bamboo biochar. Adsorp－ tion experiments, coupled with isothermal adsorption models and kinetic models, were applied to assess the optimum adsorption conditions of the selected biochar on nitrogen in ammonium nitrate solution. The results demonstrated that all three kinds of biochar had certain adsorp－ tion effects on nitrogen in ammonium nitrate solution, and that the adsorption capacity of biochar on nitrogen was affected by the pH of the environment, reaction time, initial concentration and biochar addition. For instance, while the amount of biochar was 0.05 g under experi－ mental conditions of pH 9, adsorption time 3 h and initial concentration 100 mg·L-1, the optimum nitrogen adsorption quantities of the three biochars were 23.79, 13.00 mg·g-1 , and 17.60 mg·g-1, respectively. Moreover, the Langmuir equation best fit the process of isothermal ad－ sorption of nitrogen by the three kinds of biochar, indicating that the adsorption of nitrogen by biochar was due mainly to monomolecular ad－ sorption. Again, the pseudo-second-order kinetics model could better define the kinetics of the three kinds of biochar adsorption nitrogen, was suggesting that the biochar adsorption of nitrogen was chemical in nature. The results showed, that rice husk biochar had a good nitrogen adsorption performance and could be used as a quality adsorbent to control nitrogen pollution in soil and water. Keywords：biochar; nitrogen adsorption; isothermal adsorption model; nitrogen pollution
不同类型的生物炭应用于氮素污染治理的研究 已有不少报道。高德才等[10]与盖霞普等[11]将玉米秸秆 生物炭按不同比例施入土壤中进行土柱模拟淋溶实 验，结果表明玉米秸秆生物炭能延缓硝态氮和总氮的 淋洗速度，生物炭添加质量分数 2% 以上时，可显著 降低硝态氮淋洗。吴丹等[12]研究了牛粪生物炭对土壤 氮肥淋失的抑制作用，结果显示土壤中添加牛粪生物 炭可抑制氮肥淋失，且添加比例为 4%～5%时，对土壤 氮肥淋失的抑制效果最佳。Lehmann 等[13]研究结果表 明，在土壤中加入木质生物炭，能显著降低土壤中铵 态氮的淋溶，提高作物的生物量及氮素吸收利用率。 Ding 等[14]认为，竹子制备的生物炭添加到土壤中，对 土壤氮素的保持有潜在影响，在 20 cm 厚的土壤中添 加 0.5%的竹炭，铵态氮累积淋失量便可降低 15.2%。 目前，多数学者只针对单一种类生物炭进行研究，不 同种类生物炭在不同环境不同添加量条件下对氮素 淋失的抑制效果也各不相同，加上实验存在土壤介质 的干扰，很难直观反应生物炭对氮素的吸附作用及实 际过程，因而生物炭对氮素淋失的作用机制也难以全 面概括。
①pH 测定：称取 1.00 g 3 种生物炭分别溶于 20 mL 蒸馏水中，振荡 10 min 过滤，使用 pH 计（MET－ TLER TOLEDO LE438）测定滤液的 pH。②元素分析： 使用元素分析仪（vario ISOTOPE CUBE）在炉温 1150 ℃时测定生物炭的 C、H、N、S 含量，采用差减法计算 O 含量。③灰分测定：将生物炭置于马弗炉中，800 ℃ 敞口煅烧 2 h，计算灰分。④生物炭的比表面积采用比 表面积测定仪（Nova 2000e）用 BET 法测定；采用扫描 电镜（HITACHI S-4800）和傅里叶红外光谱仪（Nicolet 380）测定表面形态和官能团结构。 1.3 吸附实验 1.3.1 pH 对生物炭吸附氮的影响
因此，本文选择 3 种不同类型的生物炭，对其理 化性质进行表征，设计生物炭与硝酸铵溶液中的氮进 行固液吸附实验，排除土壤介质干扰，探究不同 pH、 反应时间、初始浓度及生物炭量条件对生物炭吸附氮 的影响，并以等温模型与动力学模型探究生物炭吸附 氮的机理，寻求具有最佳氮素吸附性能的生物炭材 料，为生物炭应用于治理氮素污染提供理论依据，同 时为生物炭的资源化利用提供参考。
不同生物炭对氮的吸附性能
索桂芳 1，2，吕豪豪 2，3，汪玉瑛 2，3，刘玉学 2，3，何莉莉 2，3，杨生茂 1，2，3*
（1.浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江 金华 321004；2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021；3 浙 江省生物炭工程技术研究中心，杭州 310021）
20Biblioteka Baidu8，37（6）: 1193-1202
农业环境科学学报 Journal of Agro-Environment Science
2018 年 6 月
索桂芳，吕豪豪，汪玉瑛，等. 不同生物炭对氮的吸附性能[J]. 农业环境科学学报, 2018, 37（6）：1193-1202. SUO Gui-fang, L譈 Hao-hao, WANG Yu-ying, et al. Study on the adsorption properties of nitrogen by different biochars [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37（6）：1193-1202.
收稿日期：2017－10－12 录用日期：2017－12－19 作者简介：索桂芳（1992—），女，山东济南人，硕士研究生，从事生物炭材料的吸附研究及炭基微生物肥料的研发与应用。E-mail：suogf1992@163.com * 通信作者：杨生茂 E-mail：yangshengmao@263.net 基金项目：浙江省重点研发计划项目（2017C02001） Project supported：The Key Research and Development Project of Zhejiang Province, China（2017C02001）
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近年来，氮肥的不合理施用，使土壤中的氮素通 过径流、淋溶、氨挥发及表观硝化-反硝化等途径大量 流失[1-2]，不仅造成资源的严重浪费，还导致土壤、水体 氮污染及富营养化等问题，造成环境污染、生态系统 功能退化[3-4]，严重威胁人类健康。因此，治理氮素污 染，保护生态环境成为亟需解决的问题。生物炭作为 一种吸附剂因其环境友好、取材广泛而又操作简单受 到研究者的广泛关注。生物炭是生物质在无氧或限氧 条件下，经高温热裂解产生的一种难熔的、高度芳香 化、富含碳素的固体物质[5]。生物炭作为一种新兴的环 境功能材料，不仅制备原料来源广泛，而且孔隙结构 发达，比表面积大，具有高度的生物化学稳定性和较 强的吸附性能，在改善土壤质量，持留土壤养分，减少 温室气体排放，治理土壤、水体重金属污染等方面均 发挥着重要作用[6-9]。
农业环境科学学报 第 37 卷第 6 期
1 材料与方法
1.1 实验材料 吸附剂：分别为稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭，购自
浙江省桐乡市华腾牧业有限公司。稻壳、山核桃壳和 竹片是浙江省典型农业废弃物，3 种生物炭采用限氧 控温炭化法在 500 ℃限氧环境下炭化 3 h 制得。将 3 种生物炭于烘箱中 70 ℃烘干，磨细，过 0.149 mm 筛， 贮存在干燥设备中备用，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭 分别标记为 DBC、SBC 和 ZBC。
摘 要：为探究不同类型生物炭对氮的吸附性能，寻求最佳的氮素吸附材料，本文选择稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭作为吸附剂，开 展不同 pH 环境、反应时间、初始浓度及生物炭添加量条件下的吸附实验，研究生物炭对硝酸铵溶液中氮的最佳吸附条件，并对结 果进行等温吸附拟合与吸附动力学研究。结果表明：3 种生物炭对硝酸铵溶液中的氮均有一定的吸附效果，且 pH 环境、反应时间、 初始浓度及生物炭添加量均影响生物炭对氮的吸附量。生物炭添加量为 0.05 g 时，在 pH 环境为 9、吸附时间为 3 h、初始浓度为 100 mg·L-1 的条件下，平衡吸附量达到最大，稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭在此条件下的最大吸附量分别为 23.79、13.00 mg·g-1 和 17.60 mg·g-1，表明稻壳炭对氮的吸附效果最佳；Langmuir 方程能更好地拟合 3 种生物炭对氮的等温吸附过程，表明生物炭对氮的吸 附主要是单分子层吸附；准二级动力学模型能更好地描述 3 种生物炭吸附氮的动力学过程，表明生物炭对氮的吸附为化学吸附。综 上说明，稻壳炭在最佳吸附条件下可吸附较多氮素，有望作为一种良好的吸附剂应用于土壤和水体氮素污染治理。 关键词：生物炭；氮素吸附；等温吸附模型；氮污染 中图分类号：X712 文献标志码：A 文章编号：1672-2043（2018）06-1193-10 doi:10.11654/jaes.2017-1378
Study on the adsorption properties of nitrogen by different biochars
SUO Gui-fang1,2, L譈 Hao-hao2,3, WANG Yu-ying2,3, LIU Yu-xue2,3, HE Li-li2,3, YANG Sheng-mao1,2,3* （1.College of Chemistry and Life Sciences, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China; 2.Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China; 3.Engineering Research Center of Biochar of Zhejiang Province, Hangzhou 310021, China） Abstract：This paper explored the adsorption properties of nitrogen by different biochars and identified a suitable material to prevent nitro－ gen pollution. The project selected three kinds of nitrogen adsorbents：rice husk biochar, pecan shell biochar and bamboo biochar. Adsorp－ tion experiments, coupled with isothermal adsorption models and kinetic models, were applied to assess the optimum adsorption conditions of the selected biochar on nitrogen in ammonium nitrate solution. The results demonstrated that all three kinds of biochar had certain adsorp－ tion effects on nitrogen in ammonium nitrate solution, and that the adsorption capacity of biochar on nitrogen was affected by the pH of the environment, reaction time, initial concentration and biochar addition. For instance, while the amount of biochar was 0.05 g under experi－ mental conditions of pH 9, adsorption time 3 h and initial concentration 100 mg·L-1, the optimum nitrogen adsorption quantities of the three biochars were 23.79, 13.00 mg·g-1 , and 17.60 mg·g-1, respectively. Moreover, the Langmuir equation best fit the process of isothermal ad－ sorption of nitrogen by the three kinds of biochar, indicating that the adsorption of nitrogen by biochar was due mainly to monomolecular ad－ sorption. Again, the pseudo-second-order kinetics model could better define the kinetics of the three kinds of biochar adsorption nitrogen, was suggesting that the biochar adsorption of nitrogen was chemical in nature. The results showed, that rice husk biochar had a good nitrogen adsorption performance and could be used as a quality adsorbent to control nitrogen pollution in soil and water. Keywords：biochar; nitrogen adsorption; isothermal adsorption model; nitrogen pollution
不同类型的生物炭应用于氮素污染治理的研究 已有不少报道。高德才等[10]与盖霞普等[11]将玉米秸秆 生物炭按不同比例施入土壤中进行土柱模拟淋溶实 验，结果表明玉米秸秆生物炭能延缓硝态氮和总氮的 淋洗速度，生物炭添加质量分数 2% 以上时，可显著 降低硝态氮淋洗。吴丹等[12]研究了牛粪生物炭对土壤 氮肥淋失的抑制作用，结果显示土壤中添加牛粪生物 炭可抑制氮肥淋失，且添加比例为 4%～5%时，对土壤 氮肥淋失的抑制效果最佳。Lehmann 等[13]研究结果表 明，在土壤中加入木质生物炭，能显著降低土壤中铵 态氮的淋溶，提高作物的生物量及氮素吸收利用率。 Ding 等[14]认为，竹子制备的生物炭添加到土壤中，对 土壤氮素的保持有潜在影响，在 20 cm 厚的土壤中添 加 0.5%的竹炭，铵态氮累积淋失量便可降低 15.2%。 目前，多数学者只针对单一种类生物炭进行研究，不 同种类生物炭在不同环境不同添加量条件下对氮素 淋失的抑制效果也各不相同，加上实验存在土壤介质 的干扰，很难直观反应生物炭对氮素的吸附作用及实 际过程，因而生物炭对氮素淋失的作用机制也难以全 面概括。