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磷是水生動植物生長和代謝的限制性營養素，也是水質和水生生態系統的重要指標。磷與水質有關的主要問題之一是富營養化，水中藻類大量繁殖，導致水質高濁度和低溶解氧。在本期內容，我們合成了一種新型的鐵改性活性炭，用于從水溶液中除去磷酸鹽。活性炭中的鐵主要存在于非晶相中，如水鐵礦和無定形氫氧化物，這大大增強了磷酸鹽的吸附。
活性炭和鐵改性活性炭的性質
與原活性炭相比，改性后的活性炭中鐵含量顯著增加，而Al，Ca和Mg含量適度下降。改性活性炭主要含有金屬元素，能量色散譜儀(EDS)也證實了這一點。如圖1a和b所示，SEM圖像聚焦區域的EDS光譜相對于Fe顯示出明顯的峰值。XPS光譜還證實Fe在修飾的活性炭中存在圖2a。在活性炭的EDS光譜中也可以看到相對于Si，Al和Ca的峰。此外，XRD譜表明原始CSB在23.0°處具有寬峰圖2b，其占纖維素晶面。然而，在X射線衍射圖案得到了沒有尖銳的峰，這表明存在于鐵改性活性炭樣品中的鐵主要存在于非結晶狀態，其表現出低的結晶度。來自圖1a中的SEM光譜很明顯，原始活性炭的表面相對光滑，一部分內在特征表現出來，而接改性活性炭的表面形態粗糙多孔。與原始活性炭相比，許多微細化和納米尺寸的孔不規則地分布在改性活性炭的表面上。通過改性活性炭中平均孔徑的增加值也證實了觀察結果。
圖1：SEM圖像和活性炭(a)和鐵改性活性炭(b)的相應EDS光譜。
圖2：活性炭和鐵改性的XPS(a)和XRD(b)光譜。
活性炭和特改性活性炭對磷的吸附機理
為了解鐵改性活性炭對磷的吸附機理，進行了一系列的額外分析。首先，改性活性炭含有高含量的鐵和一些Al，Mg和Ca這些金屬氧化物可以將金屬離子釋放到溶液中，并且在低初始pH條件下以Fe 3+，Ca 2+，Mg 2+和Al 3+存在。隨后，表面沉淀可能通過在磷酸根陰離子和這些金屬離子之間形成不溶性沉淀物而增強磷酸鹽的去除。
其次，在鐵改性活性炭表面形成的鐵氫氧化物很容易在酸性溶液中質子化，導致形成帶正電的表面，當它在堿性溶液中去質子化時，會形成帶負電的表面。結果是，主要的磷酸根陰離子可以通過靜電相互作用被改性活性炭強烈吸附。溶液pH值的進一步增加導致改性活性炭表面的逐漸去質子化，因此帶來更多的負電荷。因此，吸附的磷酸鹽量急劇減少。發現，初始pH值和磷酸鹽由改性活性炭吸附量之間存在很強的負相關。這些結果表明，磷酸根陰離子和帶正電荷的表面之間的靜電吸引力可能是鐵改性活性炭吸收磷酸鹽的重要機制。
在磷酸鹽吸收之前和之后活性炭和鐵改性活性炭的FTIR光譜繪制在圖3中。在磷吸附后，與鐵改性活性炭和活性炭相比，改性活性炭的FTIR光譜顯示出重要的差異。如圖4揭示了四種可能的機制來控制鐵改性活性炭從水溶液中吸附磷酸鹽的過程。
圖3：吸附前后活性炭和鐵改性活性炭的FTIR光譜。
圖4：磷酸鹽吸附到鐵改性活性炭上的可能機制。
結果發現鐵改性活性炭具有優異的磷酸鹽吸附性能。擁有對磷的高吸附容量，是原始活性炭的2.73倍。活性炭對磷酸鹽的吸附是一個吸熱過程，吸附能力受pH，腐殖酸和溫度的影響很大。鐵改性活性炭對磷酸鹽的吸附主要受四種機制控制：配體交換，靜電吸引，化學沉淀和內部粒子絡合。因此，鐵改性活性炭可被認為是有前景的替代生物滯留介質或用于去除磷酸鹽的好材料。
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