凤眼莲废弃物制备磁性活性生物炭对总汞及甲基汞的吸附

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凤眼莲(Eichhornia crassipes),又称为水葫芦,是世界上威胁最大的入侵植物种之一,其快速的繁殖能力以及极强的适应性使其很难被根治,在中国主要靠机械收割以及人工打捞的方式来防止凤眼莲的继续扩散和入侵,因此每年都会产生大量的凤眼莲废弃生物质。但是这些数量巨大的凤眼莲废弃物并没有得到高值化的利用,大多被焚烧、掩埋以及就地废弃,对生态环境造成二次污染。而这类来源丰富,成本低廉的废弃生物质是非常理想的生物质炭材的前体材料。近年来随着人类工业的快速发展,重金属污染日益严重,特别是汞随着工业废气废水的排放进入大气与水体之中,最终扩散并在土壤与沉积物中积累。无机汞已被证明是一种主要的有毒物质,其在生物作用下还会转化成更加剧毒的甲基汞,并且随食物链富集与传递,严重危害人类的生命健康安全。通过将凤眼莲废弃生物质制备成带有磁性可回收的活性生物炭,可作为优良的汞元素吸附剂和检测剂。将凤眼莲废弃生物质洗净干燥粉碎过筛后,分别浸渍到0.1 mol/L的FeSO4溶液和0.1 mol/L的FeCl3溶液中,再与原始材料分别在450℃、600℃、750℃以及900℃的马弗炉中热解2 h,共制备出8种磁性活性生物炭以及4种作为对照组的普通生物炭。利用SEM,EDS、BET、XRD、FTIR以及XPS等仪器分析技术对所制备的生物炭的结构进行表征,并对生物炭吸附水相中不同浓度的总汞(1000 μg/L,500 μg/L,100 μg/L,10 μg/L 以及 2 μg/L)以及甲基汞(10 μg/L,1 μg/L以及0.μg/L)的性能进行研究。研究结果表明,所制备的生物炭属于介孔材料,孔径主要分布在2-50 nm,600℃下热解的生物炭比表面积最大,其中BC600-3比表面积达120.48 m2/g;750℃下热解的生物炭的含氧官能团含量最高,活化后的生物炭相对于未活化的生物炭的含氧官能团含量有所减少,但是其S与Cl的活性位点的负载能有效的弥补这部分吸附位点的缺失,且S与Cl相关活性位点的负载在600℃时最高;活性生物炭表面负载了具有磁性的铁氧化物,随着温度的升高而增加,在750℃时含量最高,FeSO4活化的生物炭的磁性组分包括Fe3O4与Fe2O3,而FeCl3活化的生物炭的磁性组分只含有Fe2O3;生物炭对总汞的吸附为物理化学吸附共同作用,对甲基汞的吸附则以化学吸附为主,其中在1000 μg/L的总汞溶液中BC600-2的吸附率达96.16%,吸附量为1.91 mg/g,在10μg/L的甲基汞溶液中,BC750-2的吸附率达66.30%,吸附量为13.26μg/g,不过在0.1μg/L的甲基汞溶液中,BC600-2的吸附率可高达99.65%。通过浸渍-热解的方式将凤眼莲废弃生物质制备成磁性活性生物炭,不仅可以增加其比表面积,孔隙程度,丰富表面活性位点,有利于对有毒物质汞的吸附,同时也富含磁性组分,方便从水相或固相回收处理,为后续针对沉积物中汞污染的治理提供了技术材料支撑,也开拓了这类入侵植物的商业利用价值。
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