聚吡咯改性废菌渣活性炭对水中硫酸盐和硝酸盐吸附研究

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硫酸盐和硝酸盐是水体中常见的无机阴离子污染物,浓度过高会对自然环境和人类健康产生潜在的危害作用。去除水中硫酸盐和硝酸盐的方法主要有膜过滤法、离子交换法、化学法、生物法、电渗析法和吸附法。其中,活性炭(Activated Carbon,AC)吸附由于具有选择性、操作简单、经济环保等特点,已广泛应用于废水处理,但是AC制备成本较高。而生物质材料是农林业等产生的废弃物,含有天然高分子如木质素、纤维素等,用其制备AC具有突出的性能和成本优势。我国是食用菌生产大国,随着食用菌产业的快速发展,合理处置和有效利用废菌渣(Mushroom Residue,MR)已成为一个不可忽视的问题。MR是真菌在培养基发酵产生的,含有丰富的纤维素、蛋白质和羟基官能团等,有利于活化剂渗透到内部形成疏松多孔的结构,是制备AC的优良材料。本研究以农业废弃物MR为原料、Zn Cl2为活化剂制备废菌渣活性炭(MRAC)。采用浸渍法将聚吡咯(Polypyrrole,Ppy)和MRAC进行复合制备聚吡咯改性废菌渣活性炭(Ppy-MRAC)新型吸附材料。通过批量吸附实验、吸附模型拟合和表征分析研究了Ppy-MRAC对水中硫酸盐和硝酸盐的吸附效果和吸附机理。并对Ppy-MRAC的再生和实际应用进行了研究,为水中无机阴离子的去除提供了一个环境友好型吸附剂。主要研究内容和实验结果如下:(1)MRAC和Ppy-MRAC的优化制备。以对水中SO42-的吸附为优化指标,通过单因素实验和响应面法优化了MRAC和Ppy-MRAC的制备条件。实验结果表明MRAC的最佳制备条件为:活化温度600°C,活化时间2 h,浸渍比(Zn Cl2与MR质量比)2,浸渍时间12 h;Ppy-MRAC的最佳制备条件为:吡咯浓度0.8 mol/L,氯化铁浓度2 mol/L,改性时间4 h,改性温度25°C。SEM-EDS、FTIR、BET和Zeta表征分析表明,MRAC可以作为载体负载Ppy,有效的将富含羟基的MRAC与富含配位氯离子的Ppy结合,充分发挥各官能团的协同作用。制备的Ppy-MRAC为介孔材料,零点电位为10.2,有利于吸附水中的阴离子污染物。(2)Ppy-MRAC对水中SO42-和NO3-的吸附研究。通过批量吸附实验,研究了初始浓度、Ppy-MRAC投加量、吸附时间、初始p H值和吸附温度对Ppy-MRAC吸附水中SO42-和NO3-`的影响。实验结果表明:当Ppy-MRAC的投加量为0.4 g,吸附时间为180min,初始p H值为7时,Ppy-MRAC对500 mg/L SO42-的吸附量在吸附温度为35°C时可达39.41 mg/g,Ppy-MRAC对50 mg/L NO3-的吸附量在吸附温度为15°C时可达10.33mg/g。吸附模型拟合表明Ppy-MRAC对水中SO42-和NO3-的吸附过程分别是自发吸热反应和自发放热反应,符合Langmuir等温模型和拟二级动力学模型。通过SEM-EDS、FTIR和XPS表征分析和竞争吸附实验证实了Ppy-MRAC对水中SO42-和NO3-的吸附机理主要为:离子交换、静电引力和氢键作用,且Ppy-MRAC对NO3-有较强的选择性吸附作用。(3)Ppy-MRAC再生和应用。选用0.1 mol/LNa OH对吸附饱和SO42-和NO3-的Ppy-MRAC进行再生实验。实验结果表明:吸附饱和的Ppy-MRAC在Na OH洗脱后可6次循环再生,具有很好的稳定性。且Ppy-MRAC对实际废水中SO42-和NO3-的吸附量较高,是一种有发展前景的环境友好型吸附剂。
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