桉树基磁性活性炭的制备及其在水处理中的应用

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重金属废水和染料废水已经构成环境污染的重要来源。活性炭吸附法被广泛应用于去除重金属废水和染料废水的处理,但是吸附后的活性炭回收困难,不利于再生。如果赋予活性炭磁性,则所形成的磁性活性炭既保留活性炭的高吸附性能,又具有磁性而易分离回收的效果。本研究以K2CO3和FeCl3为活化剂和磁化剂,以农林废弃物桉树为原材料,采用活化与磁化同步完成的方法制备了一种桉树基磁性活性炭(MAC),并应用于含Cr(VI)废水和阴阳离子染料废水的处理。采用比表面积与孔径分析仪、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、傅里叶红外光谱(FTIR)和振荡样品磁强计(VSM)等对MAC进行表征分析。在吸附动力学、吸附等温模型和吸附热力学的理论基础上,结合表征分析来研究MAC对不同污染物的吸附性能和机理,为MAC在水处理中的应用提供理论依据。主要结论如下:  (1)实验制备了一种新型吸附剂:桉树基磁性活性炭,碘吸附值为655.627 mg/g,亚甲基蓝吸附值为400.05 mg/g。MAC的最佳制备方案为:K2CO3:FeCl3:桉树炭的质量比1.5:1:1、浸渍时间7 h、活化温度800℃、活化时间60 min。  (2)MAC的比表面积为823.965 m2/g,平均孔径为2.288 nm,总孔容为0.4714 cm3/g,为微孔-中孔混合结构;MAC的表面主要含有羧基、羟基、内酯基、酚羟基、胺基和Fe-C等化学基团和Fe3O4、γ-Fe2O3;MAC属于无定形炭,但又具有局部石墨化的趋势;MAC的饱和磁化强度Ms=28.67 emu/g、剩磁Ms=3.13 emu/g、矫顽力Hc=130.81 Oe,具有超顺磁性,且在pH≥3时MAC的磁稳定性好。MAC表面在酸性和弱碱条件下带正电荷,在强碱性条件下带负电荷,等电荷点为9.81。  (3)利用MAC处理含Cr(VI)、MO和MB废水。吸附时间、投加量和温度与MAC对Cr(VI)、MO和MB的去除率成正比,初始浓度与MAC对Cr(VI)、MO和MB的去除率成反比,MAC吸附Cr(VI)在9 h时吸附饱和,MAC吸附MO和MB在90 min时吸附饱和。MAC吸附Cr(VI)、MO和MB的过程更遵循准二级动力学模型,结合颗粒内扩散模型可知MAC的吸附过程主要有表面吸附和内扩散两阶段。MAC吸附Cr(VI)、MO和MB的过程更遵循Langmuir等温吸附模型,结合D-R模型可知,自由能均大于16 kJ/mol,说明MAC吸附Cr(VI)、MB和MO的过程主要为单层化学吸附,且易于发生。MAC吸附Cr(VI)、MB和MO的过程是自发的吸热的熵增过程。MAC吸附Cr(VI)的主要推动力可能包括静电引力、氢键力、偶极间作用、化学键力等;MAC吸附 MB主要驱动力可能包括配位基交换、氢键力、偶极间作用力、阳离子-π作用力等;MAC吸附MO的主要驱动力为范德华力、氢键力、偶极间作用力、阳离子-π作用力等。
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