毫米级水热炭球的温和制备及其Cr(Ⅵ)吸附性能研究

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重金属Cr是16种有毒污染物中最为主要的污染源之一,其处理受到社会各界的广泛关注,其中壳聚糖是一种常见的Cr吸附剂。针对粉体壳聚糖在酸性条件下易溶解的缺点,本论文采用一步温和水热法制备了毫米级水热炭球(HCB),从而很好地解决了壳聚糖粉末类吸附剂难分离和耐酸性差的问题;进一步原位引入金属沉淀物作为模板,然后通过酸溶解制备了毫米级多孔水热炭球(PHCB),可以提高壳聚糖球的比表面积并进一步改善其对Cr(Ⅵ)的吸附性能。主要研究结果如下:(1)将制备好的壳聚糖球(CSB)在不同水热温度下炭化处理,得到炭化程度不同的HCB-120(粒径约4mm)、HCB-180(粒径约3.5mm)和HCB-240(粒径约1mm)。拉曼光谱、FT-IR、元素组成分析和溶解性实验结果表明,随着水热温度的提高,CSB的炭化程度越高,其相应的耐酸稳定性越好;SEM测试结果分析,HCB-180和HCB-240比CSB和HCB-120具有更明显的褶皱和孔洞;N2吸附-脱附分析表明,HCB的比表面积随水热温度升高而增加,其中HCB-180的比表面积为4.81m2 g-1。静态吸附实验结果表明,HCB-180可以将Cr(Ⅵ)的浓度从20mg L-1降低至0.3mg L-1(低于中国工业废水中铬排放标准0.5mg L-1),而CSB、HCB-120和HCB-240吸附Cr(Ⅵ)后的残余浓度分别为4.7、4.2和0.8mg L-1,这表明水热处理有利于“暴露”CSB表面上的吸附活性位点;此外,HCB对Cr(Ⅵ)的吸附动力学更符合拟二级动力学模型,吸附等温线则更符合Langmuir模型,这表明吸附过程中以化学吸附和单层吸附为主。动态吸附实验结果表明,HCB-180具有应用于实际含铬废水处理的前景,且Yoon-Nelson模型可以很好地拟合其在动态吸附过程中的穿透曲线。(2)在制备HCB的基础上原位引入Al(OH)3沉淀作为模板,后通过酸溶解成功制备了PHCB。XRD和FT-IR分析表明,Al(OH)3成功地沉积在CSB上得到了CSB-Al(OH)3和HCB-Al(OH)3;SEM和N2吸附-脱附分析表明,PHCB具有数量更为丰富的孔和更大的比表面积,其比表面积(23.7m2 g-1)远大于CSB(1.81m2 g-1)、CSB-Al(OH)3(1.54m2g-1)、HCB-180(4.81m2 g-1)和HCB-Al(OH)3(3.96m2 g-1)。静态吸附实验结果表明,CSB-Al(OH)3对Cr(Ⅵ)的吸附效果与CSB相差甚微,HCB-Al(OH)3的吸附效果和HCB-180相仿,而PHCB对Cr(Ⅵ)的吸附量可达111.1mg g-1,相应的吸附动力学和吸附等温线也都符合拟二级动力学模型和Langmuir模型,表明吸附过程中以化学吸附和单层吸附为主。将PHCB应用于实际含铬废水的处理(主要成分为Cr、Mn、Fe),PHCB对Cr(Ⅵ)表现出优异的选择吸附性,吸附率可达91.7%,说明PHCB对含铬工业废水的处理表现出了良好的应用前景。
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