改性生物质基炭材料的制备及其吸附性能研究

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当前,合成染料被广泛应用于许多技术领域,如果不进行适当处理,水体中所包含的有毒染料可能会对人类健康造成严重威胁。目前,吸附法以其经济、环保、高效等优点被广泛应用于去除废水中的有毒染料。多孔生物炭材料作为一种高效的吸附剂已被证明有利于有毒染料的吸附并被广泛报道。本文研究了两种不同的改性生物质炭材料用于吸附有毒染料,并确定了吸附机理。结果表明两种吸附剂都具有较高的吸附性能,具有较大的应用价值。为了解决铜掺杂炭材料吸附能力低的问题并确定吸附机理,采用简单碳化活化法制备了Cu-WS-AC吸附剂,利用扫描电镜(SEM)、X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱(FT-IR)等表征手段明确了该材料的理化性质及吸附机理。吸附测试结果显示,与AC(1415 mg/g)相比,Cu-WS-AC在对孔雀石绿(MG)的吸附量为2477 mg/g。普适性测试表明,Cu-WS-AC对酸性品红(AF,669.5 mg/g)、刚果红(CR,248.2 mg/g)、亚甲基蓝(MB,414.5 mg/g)、茜素红(AR,1358 mg/g)、碱性品红(BF,753.4 mg/g)等有机染料也具有良好的吸附性能。吸附剂与MG之间的π-π堆积作用、静电吸引以及氢键作用力是主要的吸附机理。此外,Cu~0/Cu2+与MG分子之间的表面络合作用也有助于Cu-WS-AC获得更高的吸附能力。吸附动力学研究表明该吸附过程符合准二级模型(R~2=0.9997),推测为化学吸附过程。吸附平衡数据符合Langmuir模型(R~2=0.9995),计算得到最大单层吸附量为3546 mg/g。为了探究氮掺杂对于炭材料吸附过程中的提升作用,成功制备了具有高比表面积(2745 m~2/g)的NWS吸附剂,通过XRD、SEM、XPS、FT-IR等表征手段确定了样品的理化性质及吸附机理。将其用于吸附MG时,与WS相比,NWS对MG的最大吸附量为4500 mg/g。双组分吸附试验表明,利用NWS可将浓度为“500+2500”mg/L的MB和MG混合溶液转化为“清水”。吸附机理主要为NWS与MG之间的π-π叠加作用、氢键相互作用以及静电吸引力。动力学结果表明吸附过程更符合准二级动力学模型(R~2=0.9999),推测是涉及氢键作用的化学吸附过程。等温模型拟合结果表明,Langmuir等温模型相关系数R~2=0.9999,理论最大单层吸附量分别为5389 mg/g。
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