响应曲面法优化茶渣生物质炭对土壤氮磷吸附

引用本文:钱婧, 蔡青松，黄显怀，等. 响应曲面法优化茶渣生物质炭对土壤氮磷吸附[J].化学试剂, 2023, 45(5): 85-92.

DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0062

背景介绍

(资料图)

茶树是我国主要的经济作物之一，我国是茶叶主要的产出国及出口国。由于近年来大量频繁施肥，肥料的过量施用，导致茶园土壤酸化，土壤硬化及土壤质量变劣；并可导致大量氮磷养分流失降低肥料利用率及周边水环境的富营养化风险，急需采取有效的方式控制茶园氮磷流失及改善茶园土壤环境质量。生物质炭作为一种新型的土壤改良剂，可有效的改良土壤结构，改善土壤养分含量及减少土壤养分流失，起到有效促进农业可持续发展的目的。本研究采用响应曲面分析法，分析茶渣生物质炭添加比，溶液 pH 及溶液反应温度对其添加后土壤对铵态氮和磷酸盐的吸附水平的影响及其之间的交互作用，探究其吸附铵态氮和磷酸盐的机理，为茶渣生物质炭的资源化利用探究新途径，为茶园酸性土壤养分固持研究提供理论参考。

文章亮点

01

报道了茶渣制备生物质炭作为良好的吸附剂或修复剂用于去除水体中的污染物，研究表明其可用于水体吸附或土壤养分固持，此研究可拓宽其资源化利用的范围。

02

通过响应曲面分析法分析生物质炭添加比、环境pH和反应温度对土壤铵态氮和磷酸盐吸附率的影响，通过模型优化铵态氮和磷酸盐最佳吸附条件。

03

为茶渣生物炭可有效固持土壤或吸附水体中的氮磷，为茶渣资源化利用提供了新思路，研究成果具有一定的理论价值和指导意义。

内容介绍

1

实验部分

1.1主要仪器与试剂

1.2实验土壤样品

1.3实验方法

1.3.1茶渣生物质炭的制备

茶渣生物质炭（ TD ）制备：将废弃茶渣洗净风干后粉碎，取适量粉末于管式炉中，通 N₂条件下，升温至 400 ℃ （升温速度 10 ℃/min ）热解炭化 2 h ，待冷却后取出研磨至 100 目筛，用蒸馏水反复清洗，并置于 105 ℃ 烘箱烘干至恒重，密封保存待用。生物质炭分别记为 TD400 。

1.3.2表征/测试方法

生物质炭的得率是生物质炭的质量与炭化前生物质质量比值的百分比。生物质炭的 pH 以生物质炭与蒸馏水的质量体积比为 W（炭）： V（水） =1:10 提取，并通过分析仪测定； CEC 使用乙酸铵浸提法测定；元素分析仪测定生物质炭的 C 、 H 、 N 、 O 等元素；比表面积及孔径分布情况通过 BET 测定，测定时使用 N₂吸附 - 脱附法，脱气温度设定为 300 ℃ ，脱气时间控制在 4 h 左右；生物质炭形貌表征与大小用 SEM 观察测定 ， 生物质炭研磨过筛后进行干燥预处理，取适量生物质炭粉末用导电胶粘在样品台，将其进行喷金处理制样；通过 FT-IR 分析生物质炭表面官能团种类，测定时将其研磨过筛后，经溴化钾粉末混合后，再次混合压片测定，测定时扫描波段范围为 4000 ~ 400 cm^-1。

1.3.3吸附率的测定

1.3.4响应面优化实验设计

为了更好的利用响应面优化实验条件，研究添加不同配比的茶渣生物质炭对水体铵态氮、磷酸盐的吸附行为，本文选取茶渣生物质炭添加比（ 0.2% ~ 1.0% ）、溶液 pH （ 2 ~ 12 ）和反应温度（ 25 ~ 35 ℃ ） 3 个变量，分别进行单因素实验，以获取后续响应面吸附实验设计的参考范围；然后，选取吸附剂用量配比 0.6% ，反应温度 25 ℃ 和溶液 pH 7 为响应面实验设计的中心点，并根据 Box-Behnken 实验原理，采用三因素三水平响应曲面法分析上述 3 因素影响茶渣生物质炭添加的土壤吸附铵态氮和磷酸盐的主效应和交互作用。实验设计的编码和实验值见表 2 。

1.3.5数据处理和分析

采用响应面法 Design Export 18 中的 Box-Behnken 方法进行试验处理设计及对不同环境条件下生物质炭对铵态氮和磷酸盐吸附率进行分析统计，方差分析（ ANOVA ）应用于表中所示的数据集；其中， P＜ 0.05 （ ^*）具有统计学意义， P＜ 0.01 （ ^**）具有高度统计学意义，文中所有图形绘制通过 Excel 2010 完成。

2

结果与讨论2.1茶渣生物质炭理化性质表征

本文中茶渣生物质炭基本理化性质如表3所示。

2.2茶渣生物质炭对氮磷去除的预测模型

在进行生物质炭或者其他功能材料对水体或者土壤中的氮磷吸附实验时，多以吸附率作为吸附效果优劣的客观指标，可较为直观的反映生物质炭对水体或者土壤氮素及磷素的吸附效果 ^[17]。因此，本研究选择对铵态氮和磷酸盐的吸附率（ Y_铵态氮和 Y_磷酸盐）为响应值，通过 Box-Behnken 实验设计，来拟合响应面模型，呈现两两因素对吸附率的影响，并将结果列于表 4 和表 5 。

2.3茶渣生物质炭氮磷交互作用的响应面分析

通过 Design Expert 18 以两两自变量为坐标轴的 3D 图像，可较为直观的将生物质炭添加比、溶液 pH 及溶液反应温度对铵态氮及磷酸盐的吸附率呈现出来 。

2.4模型验证及优化

本文采用 Design Export 18 软件对最佳实验条件进行预测，得到茶渣生物质炭添加土壤吸附铵态氮的最佳实验条件为：生物质炭添加比为 1.0% ， pH 10.0 ，溶液反应温度为 15 ℃ ；此时，土壤对铵态氮的吸附量为 1214.80 mg/kg ，土壤对 NH₄⁺-N 吸附率的平均值为 60.74% ，与预测值（ 63.25% ）相差 2.51% 。对磷吸附的最佳条件为生物质炭添加比为 1.0% ， pH 10 ，溶液反应温度为 35 ℃ ，土壤对磷酸盐的吸附量为 825.90 mg/kg ，吸附率的平均值为 82.59% ，与预测值（ 81.54% ）的相差 0.65% ，说明该计算模型具有较好的预测效果，利用响应曲面分析具有一定的指导，可为实际应用提供依据。

3

结论

3.1本文通过 Box-Behnken 曲面分析可以较好的拟合茶渣生物质炭对铵态氮和磷酸盐的吸附过程，通过单因素分析对吸附效果的作用大小顺序遵循：添加土壤配比＞溶液反应温度＞溶液 pH ；预测模型的判定系数 R²＝ 0.9936 （铵态氮）和 R²＝ 0.9897 （磷酸盐）；校准判定系数为 Radj²＝ 0.9853 （铵态氮）， Radj²＝ 0.9765 （磷酸盐），模型拟合度较好。

3.2对茶渣生物质炭吸附铵态氮和磷酸盐的交互作用的响应面分析可知，适当地增加吸附剂添加配比及增加溶液pH或者提高溶液pH及降低溶液反应温度可以促进对铵态氮的吸附；同时，增加生物质炭添加配比及溶液pH，可增加磷酸盐的吸附。

3.3茶渣生物质炭添加至土壤后对铵态氮和磷酸盐最佳吸附条件分别为：当生物质炭添加比为1.0%、pH 10.0、溶液反应温度为15 ℃，对铵态氮吸附率为60.74%；当生物质炭添加比为1.0%、pH 10、溶液反应温度为35 ℃，对磷酸盐吸附率为82.59%，与预测值63.25%（铵态氮）和81.54%（磷酸盐）基本吻合。