于晓梅，李阳，马艳飞(山东理工大学，山东 淄博 255000)

0 引言

近年来，随着工业发展和人类生活水平的提高，水中硝酸盐氮(NO3-N)污染日益严重［1-2］，常规的吸附剂材料活性炭[3]、壳聚糖[4]等可用于去除水中NO3-N，但存在吸附材料价格较为昂贵，推广性较差的问题[5]。以成本低廉的花生壳[6]、石榴皮[7]、菠萝叶[8]等废料为吸附剂原料，可实现废物的二次利用，成为目前吸附剂研究的热点方向。废弃枯叶作为废弃物材料的典型代表，其原料易得，来源广泛，成本极其低廉，且其中含有丰富的纤维素和半纤维素[7]，可与各种官能团接枝，以离子交换/配体相互作用捕获不同的离子型污染物。本项目以废弃枯叶作为基体，用特定改性方法接枝季胺基官能团，制备季胺基改性废弃枯叶水处理吸附材料。

1 实验内容

1.1 实验方法

本实验主要研究改性三种废弃枯叶对地下水中硝酸盐氮的吸附效果，首先对三种废弃枯叶进行改性，并与未改性的废弃枯叶进行比较，然后进行筛选，确定最佳改性废弃枯叶；然后通过改变实验条件，研究改性废弃枯叶吸附地下水中硝酸盐氮的影响因素：投加量、反应时间、温度，最终确定改性废弃枯叶吸附地下水中硝酸盐氮的最佳组合。

1.2 季胺基改性废弃树叶的材料表征

采用场发射环境扫描电子显微镜(SEM)分析改性前后三种枯叶吸附剂材料的微观形貌变化；采用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析改性前后三种枯叶吸附剂材料的官能团变化。

2 结果与讨论

2.1 改性废弃枯叶的筛选

本实验研究改性前后三种废弃枯叶(油桐、银杏和悬铃木生物炭)对地下水中硝酸盐氮的吸附效果，通过等式(1)计算不同枯叶的去除率，最终结果如图1所示。通过图1可以明显看出改性后银杏、悬铃木及油桐对NO3-N的去除率相比原始银杏、悬铃木及油桐大大提高，证明了改性的成功。

图1 改性前后0.1 g银杏、悬铃木及油桐对NO3-N去除率

式中：ηe为硝酸盐氮去除率；c0为吸附前溶液中硝酸盐氮的浓度(mg/L)；ce为吸附平衡时溶液中硝酸盐氮的浓度(mg/L)。

2.2 反应时间对改性废弃枯叶吸附硝酸盐氮的影响

在25 ℃条件下，0.1 g改性废弃枯叶分别与硝酸盐氮反应2、5、8、15、20、30 min，最终结果如图2所示。由图可知，不同改性枯叶去除不同浓度NO3-N的最适时间不同。改性油桐在15 min时去除率达到最佳，银杏枯叶在5 min时去除率达到最佳，而悬铃木在5 min下NO3-N(83.17 mg/L)去除率达到最佳，在15 min下NO3-N(27.72 mg/L)去除率达到最佳。

图2 反应时间对改性废弃枯叶吸附硝酸盐氮的影响

2.3 投加量对改性废弃枯叶吸附硝酸盐氮的影响

改性生物炭的投加量不同，对地下水中硝酸盐氮的去除效果也不一样，实验分别投加0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 g改性废弃枯叶，反应上述最适时间，最终结果如图3所示。当NO3-N浓度为83.17 mg/L时，投加量为0.1 g时，三种改性废弃枯叶均达到最佳。投加量超过0.1 g去除率增幅较小，几乎不变，则后续实验投加量均选用0.1 g。当NO3-N浓度为27.72 mg/L时，当投加量为0.05 g时，NO3-N去除率均达到较大值，投加量超过0.05 g去除率增幅较小，甚至降低，则后续实验投加量均选用0.05 g。

图3 投加量对改性废弃枯叶吸附硝酸盐氮的影响

2.4 温度对改性废弃枯叶吸附硝酸盐氮的影响

投加上述筛选出的最佳投加量，反应上述最佳反应时间，探究反应温度为18、20、25、28、30及35 ℃时对地下水中硝酸盐氮的吸附效果，具体结果如图4所示。从图中可以明显看出，当NO3-N浓度为83.17 mg/L时，油桐在30 ℃下去除率达到最佳，银杏在18 ℃下去除率达到最佳，悬铃木在28 ℃下去除率达到最佳。当NO3-N浓度为27.72 mg/L时，油桐在28 ℃下去除率达到最佳，银杏在28 ℃下去除率达到最佳，悬铃木在28 ℃下去除率达到最佳。

图4 温度对改性废弃枯叶吸附硝酸盐氮的影响

2.5 改性三种废弃枯叶的表征结果

2.5.1 表面结构

原始银杏枯叶呈破碎片状结构，表面粗糙，改性后可能由于季胺官能团支链的接枝，银杏枯叶破碎片状结构连接聚集形成大片状，表面光滑平整；原始悬铃木枯叶在未改性前呈条状结构，表面粗糙且颗粒较多，在改性后悬铃木枯叶表面呈大块片状结构，表面相对光滑平整，颗粒数量减小；原始油桐枯叶呈放射条状分布，在改性后油桐条状结构聚集形成表面不均匀、带有凸起颗粒的大块结构。由SEM的结果看来，三种枯叶在形态表征上发生明显变化。

2.5.2 红外光谱FTIR

银杏枯叶中C-H、N=O、CO、C-CN、-TiO官能团在改性之后消失，CH2-在改性之后减少，C=N在改性之后增多；悬铃木枯叶在在改性之后C-O-C、NO2官能团消失，CH3、-CH2减少，C=O、-CH2、C-NO2增多；油桐在改性之后CO、C-H、C=O官能团消失，CH=N官能团增加。银杏、悬铃木和油桐三种枯叶均有着丰富的官能团，改性前后官能团的新增、消失等现象也证明了官能团的变化，证明季铵基团的成功接枝。

3 结语

根据以上实验数据分析可以得出，当水样中的硝酸盐氮浓度为83.17 mg/L时，硝酸盐氮的最佳去除条件为：采用银杏树叶，在反应条件为5 min下，投加量为0.1 g，反应温度为18 ℃条件下，去除率可高达98.31%。当水样中的硝酸盐氮浓度为27.72 mg/L时，硝酸盐氮的最佳去除条件为：采用油桐树叶，在反应条件为15 min下，投加量为0.05 g，反应温度为28 ℃条件下，去除率可高达87.67%。