椰壳生物炭负载纳米零价铁对土霉素和铅的去除性能与机理研究

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随着工业与农业的不断发展,水体环境抗生素与重金属复合污染的去除成为研究热点问题之一。其中,土霉素(OTC)和铅离子(Pb2+)两种污染物广泛的存在于各种养殖废水中,目前传统的去除方法无法高效的去除复合污染物。生物炭作为一种原材料丰富、制备简便且经济实用的吸附物质,应用于水体环境污染物的去除中,但由于原始生物炭的吸附性能有限,研究者通过改性方法增强生物炭去除污染物的能力。其中,纳米零价铁(nZVI)具有粒径小、反应活性高以及还原性强的特点,对于水体中抗生素和重金属有良好的去除效果。因此,通过载体负载法将生物炭与nZVI结合起来制备新型负载材料,去除环境中的复合污染物。本文选用椰壳作为原材料,在800℃下热解得到原始生物炭(BC),经盐酸浸渍法对其进行活化制备生物炭(HBC),并通过液相还原法得到负载型生物炭(nZVI-HBC)。利用多种表征手段对负载前后生物炭进行表征,通过批量吸附实验研究不同影响条件下生物炭对OTC和Pb2+单独去除的性能影响,采用吸附等温线、吸附动力学和吸附热力学探究负载前后生物炭对污染物的去除机理。同时,探究nZVI-HBC对OTC和Pb2+复合污染的去除机理,主要研究结论如下:(1)通过SEM、BET、XRD、FTIR和XPS等对负载前后生物炭进行表征。表征结果表明,BC和HBC的基本结构相似,具有较为明显的孔隙特征,比表面积与平均孔径也有所提高,且材料中都含有Si O2和Ca CO3的特征峰峰体。同时,nZVI-HBC的表征结果均证明实验通过液相还原法成功将纳米零价铁负载到HBC上,并且铁离子主要形态是Fe~0。(2)通过批量吸附实验探究BC、HBC和nZVI-HBC对OTC和Pb2+单独去除的性能。结果表明,负载前后生物炭对OTC和Pb2+的去除效果为nZVI-HBC>HBC>BC。随着生物炭添加量的不断增加,污染物的去除效率也逐步提高,nZVI-HBC对OTC和Pb2+的最大去除量分别为196.6985 mg·g-1和103.6028 mg·g-1。吸附模型拟合表明,nZVI-HBC对OTC和Pb2+的去除均为单分子层的化学吸附,同时去除过程是自发、吸热且熵增的反应。(3)通过探究nZVI-HBC对OTC和Pb2+复合污染的去除能力,及对复合污染的去除机理。研究表明,nZVI-HBC对OTC和Pb2+复合污染的去除具有良好的性能,去除效率均超过90%。Pb2+的加入对OTC去除影响的表现是低浓度促进,高浓度抑制,OTC的加入对Pb2+去除影响的表现是轻微抑制。(4)通过LC-MS与XPS对nZVI-HBC去除OTC和Pb2+的机理进行分析,结果表明,nZVI-HBC对OTC的去除机理包括静电引力、π-πEDA相互作用和降解作用等,nZVI-HBC对Pb2+的去除机理包括静电引力、离子交换与官能团络合等。综上所述,nZVI-HBC对OTC和Pb2+单一及复合污染有良好的去除效果,是一种有效且具有潜在价值的水体修复材料。
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