柚子皮生物炭复合材料去除水中锑的效能与机理研究

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近些年来重金属污染日益严重,水体环境和水生生物受到重金属污染的严重迫害。在各种去除技术中,吸附技术是目前研究最为广泛的一种。而在众多吸附剂中,生物炭因其比表面积大,孔结构发达,且制备过程简单以及制作成本低而广受欢迎。制备生物炭的原材料种类丰富,自然界中的生物质和大部分固体废弃物都可以用来制备生物炭。但随着排放标准日益严格,对吸附剂性能的要求也越来越高。因此,本研究以水果店丢弃的柚子皮为原材料,采用化学共沉淀法制备得到磁性柚子皮生物炭复合材料,对模拟废水中的锑进行吸附去除。本研究首先探究了磁性复合材料制备时的不同热解温度对锑去除的影响,结果表明300℃下制备的材料对Sb表现出了较好的吸附效率,故选择300℃制备的材料进行吸附实验。材料的表征结果表明铁氧体Mg Fe2O4较均匀地负载到了柚子皮生物炭上。在静态吸附实验中,考察了各种因素(吸附剂投加量、吸附时间、Sb溶液的初始p H值、Sb溶液的初始浓度和反应温度)对水中Sb吸附去除的影响。结果表明,在酸性条件下更有利于锑的去除。当300-MFB-MCs的投加量为0.1 g,溶液p H值为2,反应温度为45℃时,去除效率能达到99%以上。将吸附过程进行吸附动力学、吸附等温线以及吸附热力学模拟,对300-MFB-MCs吸附水中锑的吸附机理进行分析。拟合结果显示,锑的吸附过程符合准二级动力学,表明300-MFB-MCs对锑的吸附过程主要是由化学吸附主导的;吸附等温线更符合Freundlich等温吸附模型,属于表层非均匀吸附;而吸附热力学模型分析表明300-MFB-MCs对水中锑的吸附过程是一个自发的放热的过程。结合XPS分析技术对吸附锑后300-MFB-MCs的表面元素进行定性分析可知,在300-MFB-MCs中Fe3+的作用下,溶液中的Sb3+被氧化成毒性较小的Sb5+。制备简易装置探究300-MFB-MCs对锑的动态吸附研究。探究吸附柱层高以及Sb溶液的进水流速对锑的去除影响。运用BDST模型、Thomas模型和Yoon-Nelson等三种穿透模型对不同条件下吸附柱的穿透曲线进行探究。当Sb溶液进水浓度一定时,吸附柱越高,进水速度越慢,吸附柱的穿透时间就越长。Sb溶液进水浓度为1 mg/L的条件下,当吸附柱高为7.0 mm,水流速度为5m L/min时,穿透时间为11.1 h。三种穿透模型均可很好地拟合穿透曲线。
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