生物炭材料对双氯芬酸钠的吸附效应研究

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随着社会与经济的进步和发展,环境保护意识越来越深入人心。与此同时,人们的医疗和护理意识也在逐渐增强,药品和个人护理品(Pharmaceuticals and Personal Care Products,简称PPCPs)的生产和使用量急剧上升,并通过排泄、直接排放、医疗护理废弃物等多种途径进入环境,导致其在环境中的浓度逐渐上升。PPCPs作为新型污染物,已经在河水、湖泊等水源地以及其他水体中被频繁地检测到,对陆地动物和水生物的生长产生负面作用,并且给人类的健康带来潜在的危险。双氯芬酸钠(Diclofenac sodium,DCF)是一种非甾体抗炎药,是PPCPs的重要药物组成部分。生物方法难以降解双氯芬酸钠,常规水处理工艺仅能将其部分去除,容易对环境造成危害。本文以稻草秸秆、竹子和木屑为生物质原材料,并用不同方法在不同温度下制备得到不同生物炭材料,以DCF为目标污染物,考察不同生物炭材料的吸附性能以及其在实际应用中的前景。主要成果如下:(1)生物炭材料的制备与表征用磷酸氢二铵作为活化剂制备得到秸秆生物炭(SBC);在350℃、700℃和900℃条件下,分别高温裂解竹子和木屑得到竹子生物炭(BBC350、BBC700、BBC900)和木屑生物炭(WBC350、WBC700、WBC900)。通过SEM、BET、FT-IR、Boehm滴定和零电荷点测定等方法分析不同生物炭材料的表观形貌、孔径分布和表面含氧官能团。SEM结果表明,秸秆生物炭表面粗糙凹凸不平,孔隙分布比较密集。竹子生物炭表面的孔隙呈片状分布,随着温度的升高,表面褶皱程度逐渐加深。由BET分析结果可知,比表面积大小排序为BBC350<BBC700<BBC900,孔隙由介孔或中孔和微孔组成。木屑生物炭表面的孔隙呈蜂窝状分布,随着温度的升高,颗粒物破碎程度逐渐加深,孔隙结构也更加复杂,由BET分析结果可知,比表面积大小排序为WBC350<WBC700<WBC900,均由介孔或中孔和微孔组成。由FT-IR和Boehm滴定结果可知,七种生物炭材料均含有大量含氧官能团,而且同种原材料不同制备温度下的生物炭材料的表面含氧官能团的数量随着温度的升高而逐渐下降。采用漂移法测定SBC、BBC900和WBC900的pHpzc,得出SBC、BBC900和WBC900的pHpzc分别为2.40、2.07和2.14。(2)pH值、阴离子等因素对吸附过程的影响以DCF为目标污染物,研究SBC、BBC900和WBC900的吸附性能,探讨了吸附时间、投加量、pH值、阴离子浓度等因素对吸附过程的影响。SBC、BBC900和WBC900对DCF的吸附去除率均是随着pH值的升高而不断降低。当pH=5.00时,去除效果最好。共存阴离子对吸附过程影响较小,差值在8%以内。(3)吸附动力学和吸附热力学经Langmuir等温线模型计算SBC、BBC900和WBC900的理论最大吸附量分别为312.5、354.83和294.12 mg/g;SBC、BBC900和WBC900对DCF的吸附过程都更符合准二级动力学模型。Freundlish等温吸附线模型能够更好地模拟SBC对DCF的吸附过程。Langmuir和Freundlish等温吸附线模型都能够很好地模拟BBC900对DCF的吸附过程。Langmuir等温吸附线模型能够更好地模拟WBC900对DCF的吸附过程。热力学计算数据表明,SBC、BBC900和WBC900对DCF的吸附过程都是自发、熵增的吸热反应。(4)不同生物炭材料之间的比较BBC350、BBC700和BBC900在24h对DCF的吸附去除率分别是0%、32%和100%。WBC350、WBC700和WBC900在24h对DCF的吸附去除率分别是0%、79%和100%。制备温度越高,对DCF的吸附去除效果越好,所以选取BBC900和WBC900深入研究对DCF的吸附性能。SBC、BBC900和WBC900在3h时对DCF的吸附去除率分别是94%、100%和92%。虽然去除率相差不大,但是比较整体趋势和经Langmuir等温线模型计算得到的理论最大吸附量,对DCF的去除效果BBC900>SBC>WBC900。结合表征结果,这可能与比表面积大小和表面含氧官能团数量有关。比表面积越大,能提供的活性位点越多;官能团数量越多,相互作用力越强,这些都会有利于吸附。
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